1、前栅极和后栅极工艺实现HKMG结构，在技术上有什么差别，请看这段引用：Gate-last是用于制作金属栅极结构的一种工艺技术，这种技术的特点是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火工步完成之后再形成金属 栅极；与此相对的是Gate-first工艺，这种工艺的特点是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的退火工步完成之前便生成金属栅极。Gate-last工艺的难点则在于工艺较复杂，芯片的管芯密度同等条件下要比Gate-first工艺低，需要设计方积极配合修改电路设计才可以达到与Gate-first工艺相同的管芯密度级别。采用Gate-first工艺制作HKMG的劣势，是用来制作hi
2、gh-k绝缘层和制作金属栅极的材料必须经受漏源极退火工步的高温，会导致PMOS管Vt门限电压的上升，这样会影响了管子的性能。如果对这段不太理解的童鞋，只需要记住一点：后栅极成型HKMG技术制造的芯片，功耗更低、漏电更少，高频（即高性能）运行状态也更稳定；但是生产制造技术复杂、良品率低、初期很难大规模量产；（在没有采用3D晶体管结构前）管芯密度低，对晶圆的利用不够经济；真正实用时，还需要用户层面的配合，即客户厂商根据需求配合修改电路设计。45nm以下必要的HKMG技术中Gate-first/Gate-last成型工艺各有优劣，Intel追求未来的性能增长选择Gate-last，其他厂商则选择整体
3、难度较小、眼下更容易实用的Gate-first，经过几年发展后，情况如何呢？先看Gate-first，下面这段话引用自英特尔中国技术发言人洪力的评价：28纳米去年TSMC（台积电）刚刚用到所谓后栅极工艺，英特尔从45纳米开始用后栅工艺，那是4年以前的事。这个时候功耗就来的小，那个时候我们出来包括IBM那些所有的人出来说英特尔宣布做后栅工艺的时候，不可能达到经济利益上的量产，因为太难做了，英特尔做出来了。为什么后栅很重要，当处理器运算的频率高的时候，你的功耗就会很大，这部分做起来很不容易。所以你会看到去年很长时间都讲到产能不足的问题，现在TSMC有了，三星的28纳米还是前栅工艺的。到22纳米的时
4、候我们其实已经开始做三维晶体管，这是晶体管的一个创新，栅极起来了。那样的分布方式使得它的性能和功耗、密度都会有一个更大的提高，你去看一看TSMC的3D的晶体管是2015年开始量产，可以看到中间差多远，三年半的时间。此28纳米和彼22纳米不是一回事。还有一些厂商说还有14纳米更小的，这跟做逻辑的不是一回事，所以英特尔领先是按代来衡量的，是一代还是两代。再看看Gate-last,这是台积电研发部门高级副总裁蒋尚义从Gate-first阵营转向Gate-last阵营时说的话：和20年前一样，我们现在又遇到了如何控制Vt（管子门限电压）的难题。如今的Gate-first+HKMG工艺同样存在很难控制管
5、子Vt电压的问题。 尽管厂商可以在管子的上覆层（capping layer）上想办法对这种缺陷进行补偿，不过这种方案“极其复杂和困难程度相当高”。Gate-last工艺当然也存在一些局限性。比如这种工艺制出的管子结构很难实现平整化。不过如果设计方的Layout团队能够在电路设计方面做出一些改动，那么就可以克服这个问题，使Gate-last工艺制作出来的芯片的管芯密度与Gate-first工艺相近。在我们采用后栅极工艺的时候，有的客户一开始抱怨连连，曾一度表示如果采用这种新工艺，那么产品的管芯密度很难与Gate-first保持一致，不过经过我们多次面对面的商谈讨论，客户们已经完全接受了这种新的工
6、艺。我相信目前仍坚守Gate-first阵营的厂商在22nm制程节点将被迫转向采用Gate-last工艺。我不是在批评他们，只是认为他们最终会改变观念的。除非他们能找到一种成本低，极具创意的方案来控制管子的门限电压，否则他们必然要转向Gate-last工艺。这里不得不提的是，据蒋尚义介绍，20年前，半导体产业也同样面临类似的难题，当时的半导体厂商计划在NMOS/PMOS管中统一采用N+掺杂的多晶硅材 料来制作栅极，厂商们发现当在PMOS管中采用这种栅极材料之后，管子的性能表现并不好，管子的Vt电压很难降低到理想的水平。为此，有部分厂商试图往 PMOS管的沟道中掺杂补偿性的杂质材料，以达到控制V
7、t的目的。不过此举又带来了很多副作用，比如加剧了短沟道效应对管子性能的影响能力。为何45nm刚开始的时候，只有一家Intel知道使用后栅极，因为：伟大的企业，特质都是相同的目光长远，极富预见性。Intel 如今的领先优势有多大，洪力的描述非常清楚地表达出了目前半导体代工业老大TSMC和Intel 的差距，这里就不再重复了。台积电“以史为鉴”，转向后栅极工艺。而现在正在冉冉升起的三星（目前半导体代工市场份额已经仅次于台积电和GlobalFoundries）更是精明， 早在步入HKMG时代之初，三星尽管加入了前栅极工艺的阵营，但是据传一直在偷偷研发和尝试后栅极工艺。（待续，下篇将说明目前后栅极成型
8、HKMG工艺芯 片的分布情况，并做相关的分析和对比） 英特尔为什么牛逼后栅极工艺浅谈（二） Jeff_Hill | 2013-11-17 05:59 | 阅读：1488 | 评论：12 很多人知道28nm制程比40纳米先进，耗电更 低、发热更少、集成的晶体管更多。更进一步，不少人还知道HKMG（high-k绝缘层+金属栅极）是实现更先进制程的必备技术。但了解HKMG的两种工 艺前栅极/后栅极的人就很少了吧。HKMG的这两种工艺对芯片性能/功耗的影响，同样十分巨大。为了让大家对芯片制造工艺好坏有一个全面认识，先普及下几个重要的概念。线宽 28nm和40nm指的是芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的
9、宽度。半导体业界习惯用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。线宽越小，晶体管也越小，让晶体管工作需要的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率下，随之而来的就是芯片性能的提升。简而言之就是，线宽越小，芯片更省电的同时，性能还会提高。晶体管栅极 我们通常所说的芯片上的晶体管，是指金属氧化物半导体场效应管（简称：金氧半场效晶体管，MOSFET），有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个端。其中缩小栅极面积让晶体管尺寸变小，是工艺进化的关键。HKMG指的就是金属栅极/高介电常数绝缘层（High-k）栅结构，相对于传统的poly
10、/SiON多晶硅氮氧化硅，下面的图表可以直观地展示它们的不同。阻碍传统的poly/SiON栅极面积做小的原因，是下方的氧化物绝缘层（主要材料是二氧化硅，不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅 silicon oxynitride, SiON做为氧化层之用）的厚度是不能无限缩小的。栅极氧化层随着晶体管尺寸变小而越来越薄，目前主流的半导体制程中，甚至已经做出厚度仅有1.2纳米的 栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下，所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内，例如电子的穿隧效应。因为穿隧效应，有些电 子有机会越过氧化层所形成的位能障壁（potential barrier）
11、而产生漏电流，这也是今日集成电路芯片功耗的来源之一。为了解决这个问题，有一些介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。high-k工艺就是使用高介电常数的物质替代SiO2作为栅介电层。intel采用的HfO2介电常数为25，相比SiO2的4高了6倍左右，所以同样 电压同样电场强度，介电层厚度可以大6倍，这样就大大减小了栅泄漏。后来，intel在 45nm 启用了 high-k ，其他企业则已在或将在 32nm/28nm 阶段启用 high-k 技术。high-k技术不仅能够大幅减小栅极的漏电量，还能有效降低栅极电容。这样晶体管的关键尺寸便能得到进一步的缩小，而管子的驱动能力也能得到有效的
12、改善。简而言之，与poly/SiOn相比，使用HKMG栅极，晶体管能做的更小，漏电也更少。目前同制程下，HKMG比poly/SiON耗能低30-35%，所以理论上，32nm的HKMG耗能差不多等同于22.5-24nm的poly/SiON。前栅极/后栅极 前面我们论证了HKMG相对于poly/SiON的优势，但很少人知道，即使同样是HKMG栅极，如果采用不同的制造工艺前栅极（gate-first）/后栅极（gate-last），芯片表现是不一样的。煮机上一篇文章已经说过，前栅极工艺制作HKMG，用来制作high-k绝缘层和制作金属栅极的材料必须经受漏源极退火工步的高温，会导致晶体管Vt门限电压上
13、升，这样会影响管子的性能。具体表现，就是当处理器运算的频率高的时候，功耗就会很大。所以，在高性能/低功耗方面，使用后栅极工艺HKMG栅极的芯片较好。好了，我们花了很长的篇幅给大家讲解了HKMG栅极相对于poly/SiON栅极的优势，以及后栅极工艺HKMG为什么比前栅极工艺HKMG更好，下一篇文章（具体产品情况，待续）将是重头戏了。英特尔为什么牛逼移动芯片制程工艺一览（三） Jeff_Hill | 2013-11-17 21:58 | 阅读：1599 | 评论：10 前两篇说了一大堆，无非论证了，除了大家熟悉的 xx纳米（线宽）越小制程越先进，评价目前半导体制程水平还有两点：Poly/SiON栅
14、极和HKMG栅极的档次差距，以及如果同样是HKMG栅极的情况 下，采用前栅极工艺（gate-first）和后栅极工艺（gate-last）对芯片在实际应用时的影响。这里再总结一下：（1）与poly/SiON相比，使用HKMG栅极，晶体管能做的更小，漏电也更少 （2）在高性能/低功耗方面，使用后栅极工艺HKMG栅极的芯片较好 可能大家会提到FinFET即3D晶体管，这个是整个晶体管层面上的创新（三栅极晶体管），而之前我们讨论的、无论是关于HKMG栅极和 poly/SiON栅极，还是gate-first/gate-last工艺，创新仅仅局限在传统晶体管的栅极上。考虑到目前只有Intel 一家实现了
15、3D晶体管的大规模量产和实用，其他厂商完全与其不在一个档次上，而此文的主要目的是比较台积电、Globalfoundries、三星目前半 导体制程工艺的优劣，所以就不再深究FinFET的影响了。台积电28nm制程工艺分布情况 台积电目前四种适应不同市场定位设备的28nm工艺，其中HP、HPL、HPM皆采用了HKMG栅极和后栅极工艺，而LP采用了poly/SiON栅极和前栅极工艺。所以，综合来看，HPM最好，LP最差。参照上图，性能方面HPMHPHPLLP，漏电HPLHPMLPHP。实用层面，高通MSM8960 Snapdragon S4使用的就是28nm LP工艺，而红米吹嘘的联发科四核芯片MT
16、6589T也是台积电最差的28nm LP工艺。HPM的实用典范则是高通的骁龙800。最近MTK（联发科）发展势头惊人，已经曝光的下一代四核芯片MT6588和八核芯片MT6592将采用台积电28nm级别综合最好的HPM工艺。英伟达A15核心的Tegra 4使用的是漏电最少的HPL，看来为了控制A15的功耗，英伟达也只有在制程工艺上弥补了。GlobalFoundries的28/32nm 制程工艺情况 Globalfoundries四种28nm制程工艺和单独列出的32nm制程，皆是gate-first即前栅极工艺，可见其目前的制造水准。这里不得不八卦一下，Globalfoundries最初成立是依靠
17、从AMD分离出来的晶圆制造厂，后来获得中东超富产油小国的Advanced Technology Investment Company（ATIC）公司投资入股，到最后ATIC全资入股，所以Globalfoundries烧钱起来是毫不吝啬的。中东富豪投资这一行，花钱 起来让人侧目，但似乎并不怎么上进。如上表，32nm级别的SHP和28nm级别的HPP、HP、SLP都是HKMG栅极，而G（unoffical）则是传统的Poly/SiON。客户一栏里我们也可以发现，Globalfoundries主要客户还是AMD。另外，据说Globalfoundires依靠价格优势以及台积电产能不足，今年第三季度从台
18、积电那里分流了点MTK（联发科）和高通的28nm级芯片的订单，具体用在哪些产品上，笔者并不清楚，但可以肯定的是，这些芯片的品质非常一般。三星也传出把Globalfoundries当做是“后备工厂”，因为目前三星的晶圆工厂已无法同时满足自家芯片和苹果A系列移动芯片的需求，就把一部分 订单转包给了Globalfoundries。苹果整天吵着要“脱离”三星，事实上，三星根本无所谓，你脱离了反倒释放了产能，可以给自己的产品集中供 货。三星 28/32nm制程工艺情况 三星目前的28nm级别制程使用的是HKMG栅极，但是是前栅极工艺。自家的Exyons 5系列芯片和苹果的A7，都是采用的此种工艺。但是千
19、万别以此小看了三星。早在业界进入HKMG时代之初，三星声明支持前栅极工艺却秘密研发后栅极工艺，下一代无20nm/14nm全面使用后栅极工艺应该是板上钉钉了。还有更惊人的，三星的14nm级FinFET即3D晶体管早在2012年年底就已经流片成功，相传明年旗舰Galaxy s5上的Exyons 6系列芯片就使用这种工艺制造，而量产时间点，就在明年2014年年初！相比之下，目前晶圆代工市场份额最大的台积电，其产品路线图显示2015年才会量 产3D晶体管芯片。而Globalfoundries，在三星已经流片14nm FinFET晶圆成功的前几个月，才刚刚宣布14nm 3D晶体管的研发计划。如果传言属实
20、，三星进步神速不但会在技术上最接近Intel，最先进制程的大规模量产实用层面，则一举超过包括Intel、台积电和 Globalfoundries。未来一年将是晶圆代工市场格局发生关键性转折的一年，三星无论在技术上、还是率先大规模实用最先进制程工艺上，很可能一 鸣惊人，就此逆转老3的地位。至于苹果要脱离三星，圈内稍微有点常识的都知道，这对苹果来说是得不偿失，只能在媒体上吹风而已。把订单交给台积电，台积电不愿承担风险，为台积电增加投 资和补贴意味着抬高成本；而把订单交给GlobalFoundries，GF如此懒散不求上进的“土豪”，无论是大规模量产供货上，还是产品技术品质，都 竞争不过勤奋的亚洲人。Intel ？苹果得看别人的心情。总结 Intel在后PC时代还是保持着Tick-Tock的节奏，这几年在制程级别的代级领先和更先进的工艺技术，还是前几年积累的。竞争对手与其差距正在慢慢缩小。其中，三星尤其值得警惕。晶圆制造领域Intel 之外的其他厂商，台积电的表现算是稳扎稳打，但基于赢利/商业利益的考量，技术演进的速度还是过于保守了。靠钱堆起来的Globalfoundries 开始有了起色，正在慢慢走向成熟，但土豪的气质依然未变，靠脚底下石油不愁吃不愁穿的阿拉伯人，最欠缺的其实是亚洲人的上进心/危机感。三星的话，不多说了，看不久的将来会发生什么吧。
