什么是低k介质?

什么是低k介质?
什么是低k介质?

什么是低k介质?
材料技术--高K值材料
与应变硅加速晶体管内电流速度相反,在不同晶体管之间需要更好的绝缘,以避免电流泄漏的问题.在90纳米工艺之前,这个问题并不严重,因为晶体 管之间有较长的距离.但转换到90纳米工艺之后,不同晶体管的间距变得非常之短,电流泄漏现象变得异常严重.而为了抵消泄漏的电流,芯片不得不要求更大的 供电量,造成的直接后果就是芯片功耗增加.我们可以看到,无论英特尔还是AMD,90纳米工艺制造的产品都没有在功耗方面表现出应有的优势,而按照惯例, 每次新工艺都会让同型芯片的功耗降低30%左右.
　对于65纳米工艺来说,这个问题到了非解决不可的地步.IBM和AMD都采用SOI(绝缘层上覆硅,Silicon On Insulator)技术,SOI有效隔断了各电极向衬底流动的漏电流,使之只能够通过晶体管流动,但它对于同级晶体管之间的阻隔效果并不理想.英特尔早 先认为SOI技术难度太大,所以没在此花费功夫.
　　当然,他们也认为无法继续用二氧化硅做为晶体管的门—通道之间的绝缘层.为此,英特尔决定采用高K值的氧化物材料来制造晶体管的栅极,英特尔称 之为“高K门电介质”(High K gate Dielectric).这种材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到二氧化硅的10000倍,电子泄漏基本被阻断,这样就可以在绝缘层厚度降低到0.1纳米时 还拥有良好的电子隔绝效果.; |.
　　不过,使用高K电介质材料来替代二氧化硅要面对许多技术问题,例如高K介质器件的门限电压可能迅速窜升到500毫伏甚至更高,芯片在运行过程中 受热升温后,晶体管的门限电压也将以不可预测的幅度来回摆动,这些问题很可能影响芯片的稳定性.为此,找到具有高稳定性的高K值材料至关重要,英特尔没有 透露65纳米工艺将使用哪一种高K值材料,但他们声称这些问题都已经得到良好的解决.若高K材料得到成功应用,英特尔将在65纳米工艺上遥遥领先对手,该 工艺生产的CPU芯片将会具有相当出色的功耗表现,目前Prescott高功耗的麻烦将一去不复返
　　材料技术--低K电介质材料
　在90纳米工艺中,英特尔只能实现7层铜互联结构,而IBM大约在2000年时就成功研发出8层铜互联技术.进入到65纳米工艺之后,英特尔终 于实现了8层铜互联结构,每一个芯片可以容纳8个不同的逻辑电路层.层数越多,芯片占据的面积就越小,成本越低,但同时也要面对更多的技术问题.
　　例如,不同的电路层需要用导线连接起来,为了降低导线的电阻(R值),各半导体厂商都采用金属铜来代替以往的金属铝(这也是“铜互联”的得名由 来).其次,两个电路层之间会产生一定的电容效应(C值),由导线电阻R和层间寄生电容C共同产生的RC延迟决定着芯片的高速性能.电路层越多,RC延迟 就越高,芯片不仅难以实现高速度而且会增加能耗.使用电阻率更低的铜代替铝作为导线,可以一定程度降低RC延迟.但在此之后,电路层之间的寄生电容C对 RC延迟就起到主要的影响了.
　解决这个问题并不难.由于寄生电容C正比于电路层隔绝介质的介电常数K,若使用低K值材料(K<3)作为不同电路层的隔绝介质,问题便迎 刃而解了.英特尔为65纳米工艺准备了一种K值很低的含碳氧化物(Carbon Doped Oxide,CDO),但他们也未具体说明氧化物的类型,我们也就无法作进一步的介绍
　　让晶体管“睡眠”
　　虽然新工艺引入一定程度上降低了芯片的功耗,但为了尽可能获得高性能,芯片的规模一再扩大、频率飞速提升,它的功耗水平也一直在缓慢地向上提 升,到现在,主流处理器的功耗超过百瓦,而且还一直呈现向上提升态势.但是,对应的散热技术并没有任何革命性的进步,为功耗高达百瓦的CPU散热已经接近 极限—基于这个理由,英特尔不得不放弃NetBurst架构转入双核心体系,最近英特尔取消了4GHz的Prescott处理器也是因为同样的原因.
　　转变处理器设计思路是解决问题的根本办法,但制造技术的改进同样可以起到良好的缓解作用.众所周知,CPU的缓存单元从来都是发热大户,尤其是 二级缓存占据晶体管总量的一半不止、对功耗的“贡献”也极为可观.为了降低大容量缓存带来的高热量,英特尔为其65纳米SRAM芯片中引入了全新的“睡眠 晶体管”功能,当SRAM内的某些区域处于闲置状态时,睡眠晶体管就会自动切断该区域的电流供应,从而令芯片的总功耗大大降低.此时,睡眠晶体管可以看作 是SRAM的小型控制器,虽然它们自己并不会进入睡眠状态,但却可以控制SRAM单元的晶体管进行“睡眠”.
　　这项技术与Pentium M的低功耗缓存设计有异曲同工之妙,虽然这二者在原理上并不相同.“睡眠晶体管”是在半导体制造技术层级上实现,可用于任何架构的CPU芯片,而 Pentium M的低功耗缓存则是一项电路控制技术,它只对Pentium M架构的产品有效,其他处理器若要有类似的功能就必须改变逻辑设计.