很多人知道28nm制程比40納米先進(jìn)，耗電更低、發(fā)熱更少、集成的晶體管更多。更進(jìn)一步，不少人還知道HKMG(high-k絕緣層+金屬柵極)是實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)制程的必備技術(shù)。但了解HKMG的兩種工藝——前柵極/后柵極的人就很少了吧。HKMG的這兩種工藝對(duì)芯片性能/功耗的影響，同樣十分巨大。
為了讓大家對(duì)芯片制造工藝好壞有一個(gè)全面認(rèn)識(shí)，先普及下幾個(gè)重要的概念。
線寬
28nm和40nm指的是芯片上晶體管和晶體管之間導(dǎo)線連線的寬度。半導(dǎo)體業(yè)界習(xí)慣用線寬這個(gè)工藝尺寸來(lái)代表硅芯片生產(chǎn)工藝的水平。線寬越小，晶體管也越小，讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低，晶體管開(kāi)關(guān)的速度也就越快，這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率下，隨之而來(lái)的就是芯片性能的提升。簡(jiǎn)而言之就是，線寬越小，芯片更省電的同時(shí)，性能還會(huì)提高。
晶體管柵極
我們通過(guò)所說(shuō)的芯片上的晶體管，是指金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱(chēng)：金氧半場(chǎng)效晶體管，MOSFET)，有柵極(gate)、漏極(drain)、源極(source)三個(gè)端。
其中縮小柵極面積讓晶體管尺寸變小，是工藝進(jìn)化的關(guān)鍵。HKMG指的就是金屬柵極/高介電常數(shù)絕緣層(High-k)柵結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的poly/SiON多晶硅氮氧化硅，下面的圖表可以直觀地展示它們的不同。
阻礙傳統(tǒng)的poly/SiON柵極面積做小的原因，是下方的氧化物絕緣層(主要材料是二氧化硅，不過(guò)有些新的高級(jí)制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅silicon oxynitride, SiON做為氧化層之用)的厚度是不能無(wú)限縮小的。柵極氧化層隨著晶體管尺寸變小而越來(lái)越薄，目前主流的半導(dǎo)體制程中，甚至已經(jīng)做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個(gè)原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi)，例如電子的穿隧效應(yīng)。因?yàn)榇┧硇?yīng)，有些電子有機(jī)會(huì)越過(guò)氧化層所形成的位能障壁(potential barrier)而產(chǎn)生漏電流，這也是今日集成電路芯片功耗的來(lái)源之一。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有一些介電常數(shù)比二氧化硅更高的物質(zhì)被用在柵極氧化層中。
