從成本和技術(shù)角度看高通28nm產(chǎn)品HKMG工藝

大家都知道幾天前高通正式發(fā)布了現(xiàn)有Scorpion核心的下一代移動(dòng)微處理器krait產(chǎn)品系列，這款新產(chǎn)品由于較早地采用了28nm制程，因此引起了 各方的注意。不過(guò)，與大家的期望相反，不久前高通曾經(jīng)在IDEM大會(huì)上表示其大部分28nm制程的產(chǎn)品并不會(huì)采用當(dāng)今最先進(jìn)的HKMG（金屬柵極高介電 常數(shù)絕緣層（High-k）柵結(jié)構(gòu)）工藝制作，而是仍采用較為傳統(tǒng)的多晶硅柵氮氧化硅絕緣層（poly/SiON）的柵極結(jié)構(gòu)，那么高通為什么選擇這種 看起來(lái)不夠“時(shí)髦”的老技術(shù)呢？現(xiàn)在我們就一起來(lái)回顧一下高通選擇這么做的理由。

1.成本因素：
高通的營(yíng)運(yùn)副總裁Jim Clifford表示，選擇走poly/SiON的老路，主要是出于成本和時(shí)間方面的考慮。他在IEDM會(huì)議上稱(chēng)：“High-k絕緣層天生就需要更多的掩膜層結(jié)構(gòu)才可以制作出來(lái)，而這種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，很容易產(chǎn)生制造瑕疵，對(duì)制造者而言是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?br /> 不過(guò)高通并沒(méi)有完全關(guān)上HKMG的門(mén)。Clifford表示：“仍然有一部分產(chǎn)品是需要采用HKMG技術(shù)制作的”這其中包括為平板電腦以及部分“極高端”智能手機(jī)所設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品。高通會(huì)選擇在此類(lèi)產(chǎn)品的運(yùn)行頻率需要提高到2GHz左右時(shí)，再向這部分28nm制程產(chǎn)品中引入HKMG技術(shù)。不過(guò)對(duì)大多數(shù)智能手機(jī)用芯片，高通則會(huì)堅(jiān)持采用更便宜的poly/SiON技術(shù)制作芯片。
Clifford還強(qiáng)調(diào)稱(chēng)，雖然高通非常渴望自己設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品能夠采用更先進(jìn)的工藝來(lái)制作，但是為追逐摩爾定律而必須啟用這些工藝所需的如EUV光刻設(shè)備以及其它關(guān)聯(lián)技術(shù)的研究方面的巨額成本投資卻令高通十分擔(dān)憂(yōu)。Clifford說(shuō)：“成本控制對(duì)我們而言非常重要?！?br /> 2.技術(shù)因素：
從技術(shù)角度看，在IEDM會(huì)展期間，高通技術(shù)主管P.R. Chidambaram則在一份描述其28nm技術(shù)的文件中稱(chēng)，如果某種用于制作HKMG的工藝無(wú)法為溝道提供足夠的溝道應(yīng)變力，那么采用這種工藝制造出來(lái)的晶體管其性能便無(wú)法比采用傳統(tǒng)poly/SiON強(qiáng)效溝道硅應(yīng)變工藝制作的晶體管高出多少。他表示：”HKMG強(qiáng)效溝道硅應(yīng)變工藝的組合可以顯著提升晶體管的速度，但是采用這種工藝的成本更高，因此這種工藝更適合于用在平板電腦或超高端智能手機(jī)的場(chǎng)合。而采用傳統(tǒng)的poly/SiON工藝，則產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間短，而且制程方面所負(fù)擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也更小，造出的芯片瑕疵密度也更低?！?br /> 目前大部分采用高通Snapdragon處理器核心設(shè)計(jì)的智能手機(jī)用芯片的運(yùn)行頻率均在1Ghz及以下的水平，而且還可以用啟用雙核設(shè)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)一步提升性能。高通公司的高級(jí)技術(shù)經(jīng)理Geoff Yeap稱(chēng)高通目前售出的基于Snapdragon核心的芯片產(chǎn)品”數(shù)量非常巨大“，他還表示目前主要幾家芯片代工廠在high-k工藝方面”都還準(zhǔn)備不足“。
Yeap表示高通晚些時(shí)候會(huì)將其部分產(chǎn)品轉(zhuǎn)向使用HKMG工藝制作。雖然HKMG晶體管由于反型層電荷的增加其驅(qū)動(dòng)電流值也更大，但是也因此而增加了管子的開(kāi)關(guān)電容，而對(duì)高通而言，晶體管工作在線性電流特性區(qū)的電流驅(qū)動(dòng)能力（Idlin）要比工作在飽和區(qū)的電流驅(qū)動(dòng)能力（Idsat）更為重要。

而雖然HKMG工藝對(duì)解決柵極的漏電問(wèn)題幫助甚大，但是這種技術(shù)對(duì)硅襯底（substrate）以及漏源極的漏電卻沒(méi)有很大的改善。而高通則在其采用28nm poly/SiON工藝的晶體管中采用了阱偏置技術(shù)（ well biasing，一種可以改變襯底偏置電壓，以減小襯底漏電的技術(shù)），以及包含門(mén)控時(shí)鐘(clock gating簡(jiǎn)言之就是在某模塊空閑的時(shí)候可切斷其時(shí)鐘信號(hào)供應(yīng)的控制門(mén)電路技術(shù))和門(mén)控電源(power gating 簡(jiǎn)言之即為在某晶體管模塊空閑的時(shí)候可徹底切斷其電源供應(yīng)的控制門(mén)電路技術(shù))等技術(shù)在內(nèi)的多種電路技術(shù)來(lái)控制芯片的漏電損耗。Chidambaram還介紹了該產(chǎn)品中應(yīng)用的某種特殊的門(mén)控電源設(shè)計(jì)，并稱(chēng)這種技術(shù)是在高通和其未透露公司名的芯片代工伙伴的共同努力下開(kāi)發(fā)出來(lái)的。
當(dāng)然放開(kāi)HKMG還是poly/SiON的話題不談，光是從45nm節(jié)點(diǎn)升級(jí)到28nm節(jié)點(diǎn)，高通也可以從中獲利不少，這部分相信大家都已經(jīng)很清楚，這里就不再羅嗦了。
3 外界的看法：
在IEDM會(huì)議上，許多技術(shù)專(zhuān)家都為高通決定仍走poly/SiON工藝路線的決定感到驚訝，因?yàn)橐话愣颊J(rèn)為HKMG可以更好的控制溝道性能，而且工藝升級(jí)余地也更大?？傮w上看，目前poly/SiON工藝遇到的主要障礙是柵氧化層的等效厚度由于柵極漏電等問(wèn)題的存在從90nm節(jié)點(diǎn)制程起便難以進(jìn)一步縮小，以至于需要依賴(lài)硅應(yīng)變技術(shù)來(lái)提升晶體管的速度，而HKMG則可以解決這個(gè)問(wèn)題。
4 關(guān)于高通28nm產(chǎn)品代工商的推理分析：
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