为什么言“45nm”必说“高K-金属栅极”？
技术空间
“高-k栅极介电质+金属栅极晶体管是自上世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技术领域里最重大的突破。”
——英特尔公司的创始人之一，摩尔定律的提出者戈登·摩尔
在过去一年中，随着媒体对英特尔45nm和高K-金属栅极的介绍和评论，让大家开始知道这两个新词汇，所以大家可能有这样的疑问：在处理器量产中采用的45nm芯片生产工艺和同时提及的高K-金属栅极有什么关系吗？高K-金属栅极到底是什么？为什么说成功研制高K-金属栅极并将之付诸量产是半导体业界里程碑式的技术变革和突破？
物理极限：突进中的困惑
我们天天说45nm制程，但真正明白其含义的朋友恐怕并不多，这里我们首先来明确下这个概念。45nm（1μm=1000nm，1nm为10亿分之一米）不是指的芯片上每个晶体管的大小，也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。早期的连线采用铝，后来都采用铜连线了。
我们知道，处理器性能的不断提高离不开优秀的核心微架构设计，而芯片生产工艺的更新换代是保证不断创新设计的处理器变为现实的基础。每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道。因为线宽越小，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。
大家习惯了芯片生产工艺两年一次的更新换代，给大家的感觉好像是从65nm到45nm同以前从130nm到90nm，以及从90nm到65nm一样没有什么特别的。根据摩尔定律，就是每18个月，在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去，从单个晶体管的角度来看，为了延续摩尔定律，我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质，现有的工艺都是采用二氧化硅（SiO2）层作为栅极介电质（图1）。大家也把源极（Source）和漏极（Drain）之间的部分叫做沟道（Channel），在栅极氧化物上面是栅极（Gate）。
晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。源极和漏极之间是沟道，当没有对栅极（G）施加电压的时候，沟道中不会聚集有效的电荷，源极（S）和漏极（D）之间不会有有效电流产生，晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”， 当对栅极（G）施加电压的时候，沟道中会聚集有效的电荷，形成一条从源极（S）到漏极（D）导通的通道，晶体管处于开启状态，可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。
我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门，开启让水流过，关闭截止水流。晶体管的开启/关闭的速度就是我们说的频率，如果主频是1GHz，也就是晶体管可以在1秒钟开启和关闭的次数达10亿次。
同1995年晶体管中二氧化硅层相比，65nm工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一，仅有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体，二氧化硅层已经不能再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作，如果提高有效工作的电压和电流，会使芯片最后的功耗大到惊人的地步。
从65nm开始，我们已经无法让栅极介电质继续缩减变薄，而且到45nm，晶体管的尺寸要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了，如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题，新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。
高K-金属栅极：让发展得以继续
现有材料都到物理极限了，进一步缩小二氧化硅层是不可能的了，怎么办呢？既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途，那么就要另辟蹊径，有没有可以代替二氧化硅的材料呢？就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”，用以更好地分隔栅极和晶体管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。
你知道吗：什么是材料的高介电常数和场效应？
一种材料应具有良好的绝缘属性，同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间（源极和漏极之间）产生很好的场效应——就是高K。
高的绝缘属性和高-K属性都是高性能晶体管的理想属性。K 其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种材料存储电荷（正电荷或者负电子）的能力。类比于吸水的不同材料，海绵可以吸附和存储大量的水，木头可以存储一些水分，所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料更好地存储电荷。
图2中，灰色部分采用了两种不同K值的材料，假定最左边材料的K值为1，中间和最右边材料的K值为2。给定相同的电压V+（图示中为正电压），如果材料的厚度相同，K=2的材料存储电荷的能力是K=1的材料存储电荷能力的两倍（图2中最左边和中间的相比）。如果K=2材料的厚度为K=1材料的两倍，那么存储电荷的能力就相同了（图2中最左边和最右边的相比）。拥有更高的K值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，也可以更厚些——同时保持着更理想的属性。因此，高K材料可以大幅减少漏电。
经历了无数次失败的痛苦，研究人员最终找到了一种基于金属铪（Hafnium）的氧化物，这种材料具有高K的潜质。不过这种材料作为新的栅极介电质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。又经过了多次的试验和筛选，最后采用金属代替多晶硅作为栅极材料的办法来解决问题。图3就是目前标准晶体管结构的示意图，这种晶体管的材料在过去将近四十年没有太大的变化：在晶体硅衬底的栅极是多晶硅，栅极介电质是二氧化硅。而图4是新的“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管（介电质也称为介质）。
大幅降低功耗，新材料的优势
确定了新的材料，又历经了重重艰辛，终于让45nm的制程达到了量产。现在看看新的材料在“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管中带来了什么样的奇特效果。图5是采用了新材料做出来的晶体管示意图，这种“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管与前一代“传统材料”做的晶体管相比，有质的飞跃——源极（S）到漏极（D）的漏电降低4/5以上（图5中S到D箭头方向）；栅极氧化物介电质漏电降低 9/10以上（图5中从上到下的箭头方向）； 驱动电流效率提升20%以上，即晶体管的性能提升20%。
从单个数字看可能不是特别激动人心，不过我们想像一下，一颗芯片上数以亿计的晶体管，每个晶体管都能得益于这样的飞跃，那么累计提高的能效和减少的漏电无异于“蚂蚁雄兵”，非常可观。把晶体管做得更小，漏电更低、能效更高以及性能更高的物理瓶颈就得以突破了。
英特尔公司已经于去年11月份开始量产45nm的基于高-K栅极介电质+金属栅极晶体管的处理器产品，产品覆盖整个产品线：服务器、台式机和笔记本。这项创新技术的量产时间比业界同行整整提早了至少两年时间。按照计划和估计，英特尔公司45nm量产的芯片将于2008年第三季度超过65nm量产的芯片，制程新旧更替就在这个时刻。
虽然英特尔今天成功地越过了研制量产45nm和高-K栅极介电质+金属栅极晶体管的障碍，但是按照摩尔定律，两年以后，就是2009年，就要试产新一代的生产工艺——32nm。摆在英特尔公司面前的道路当然不是一马平川，不过，我们相信这些困难和障碍在英特尔人面前都会变成历史。
写在最后
在不断的创新过程中，正因为英特尔的研究人员找到了基于金属铪的氧化物这种具有高K的潜质的材料，才让处理器的发展得以继续。采用高K-金属栅极最大的好处就是可以减少漏电，提高驱动电流效率让晶体管的性能提升。也正是因为高K-金属栅极的出现，改变了四十多年来大家对传统晶体管的认识，让世人知道“原来晶体管还可以这么做”。它同时也为从45nm制程过渡到下一代的32nm打下了坚实的基础。
作者简介
赵军于1995年6月毕业于北京大学计算机系并获得计算机科学理学硕士学位，之后在北京大学信息管理系任教（助教）直到1997年6月。
在1997年7月，赵军加入英特尔公司就任计算机平台技术工程师。从2000年到2003年，他在英特尔中国OEM部门担任高级技术工程师，并于2001年获得“英特尔成就奖”。2003年10月~2007年5月，赵军在英特尔（中国）公司担任工程技术经理、技术市场经理、资深架构经理。2007年6月开始，赵军担任英特尔中国区家用台式机市场经理。