从成本和技术角度看高通28nm产品为何弃用流行的HKMG工艺
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发布时间：2022-04-24 11:30
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时间：2023-10-11 06:10
1.成本因素： 高通的营运副总裁Jim Clifford表示，选择走poly/SiON的老路，主要是出于成本和时间方面的考虑。他在IEDM会议上称：“High-k绝缘层天生就需要更多的掩膜层结构才可以制作出来，而这种结构相对复杂，很容易产生制造瑕疵，对制造者而言是一个挑战。”
不过高通并没有完全关上HKMG的门。Clifford表示：“仍然有一部分产品是需要采用HKMG技术制作的”这其中包括为平板电脑以及部分“极高端”智能手机所设计的芯片产品。高通会选择在此类产品的运行频率需要提高到2GHz左右时，再向这部分28nm制程产品中引入HKMG技术。不过对大多数智能手机用芯片，高通则会坚持采用更便宜的poly/SiON技术制作芯片。
Clifford还强调称，虽然高通非常渴望自己设计的芯片产品能够采用更先进的工艺来制作，但是为追逐摩尔定律而必须启用这些工艺所需的如EUV光刻设备以及其它关联技术的研究方面的巨额成本投资却令高通十分担忧。Clifford说：“成本控制对我们而言非常重要。”
2.技术因素： 从技术角度看，在IEDM会展期间，高通技术主管P.R. Chidambaram则在一份描述其28nm技术的文件中称，如果某种用于制作HKMG的工艺无法为沟道提供足够的沟道应变力，那么采用这种工艺制造出来的晶体管其性能便无法比采用传统poly/SiON+强效沟道硅应变工艺制作的晶体管高出多少。他表示：”HKMG+强效沟道硅应变工艺的组合可以显著提升晶体管的速度，但是采用这种工艺的成本更高，因此这种工艺更适合于用在平板电脑或超高端智能手机的场合。而采用传统的poly/SiON工艺，则产品开发时间短，而且制程方面所负担的风险也更小，造出的芯片瑕疵密度也更低。“
目前大部分采用高通Snapdragon处理器核心设计的智能手机用芯片的运行频率均在1Ghz及以下的水平，而且还可以用启用双核设计的方法来进一步提升性能。高通公司的高级技术经理Geoff Yeap称高通目前售出的基于Snapdragon核心的芯片产品”数量非常巨大“，他还表示目前主要几家芯片代工厂在high-k工艺方面”都还准备不足“。
Yeap表示高通晚些时候会将其部分产品转向使用HKMG工艺制作。虽然HKMG晶体管由于反型层电荷的增加其驱动电流值也更大，但是也因此而增加了管子的开关电容，而对高通而言，晶体管工作在线性电流特性区的电流驱动能力（Idlin）要比工作在饱和区的电流驱动能力（Idsat）更为重要。
而虽然HKMG工艺对解决栅极的漏电问题帮助甚大，但是这种技术对硅衬底（substrate）以及漏源极的漏电却没有很大的改善。而高通则在其采用28nm poly/SiON工艺的晶体管中采用了阱偏置技术（ well biasing，一种可以改变衬底偏置电压，以减小衬底漏电的技术），以及包含门控时钟(clock gating简言之就是在某模块空闲的时候可切断其时钟信号供应的控制门电路技术)和门控电源(power gating 简言之即为在某晶体管模块空闲的时候可彻底切断其电源供应的控制门电路技术)等技术在内的多种电路技术来控制芯片的漏电损耗。Chidambaram还介绍了该产品中应用的某种特殊的门控电源设计，并称这种技术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开发出来的。
当然放开HKMG还是poly/SiON的话题不谈，光是从45nm节点升级到28nm节点，高通也可以从中获利不少，这部分相信大家都已经很清楚，这里就不再罗嗦了。
3 外界的看法： 在IEDM会议上，许多技术专家都为高通决定仍走poly/SiON工艺路线的决定感到惊讶，因为一般都认为HKMG可以更好的控制沟道性能，而且工艺升级余地也更大。总体上看，目前poly/SiON工艺遇到的主要障碍是栅氧化层的等效厚度由于栅极漏电等问题的存在从90nm节点制程起便难以进一步缩小，以至于需要依赖硅应变技术来提升晶体管的速度，而HKMG则可以解决这个问题。
4 关于高通28nm产品代工商的推理分析： 至于高通这些28nm产品可能的代工商方面，台积电和GlobalFoundries都与高通有代工合作关系。而我们已经知道台积电将启用三种不同的28nm制程工艺技术，这三种制程工艺分别是：1-“低功耗氮氧化硅栅极绝缘层（SiON）工艺”（代号28LP）；2-"High-K+金属栅极（HKMG）高性能工艺“（代号28HP）；3-”低功耗型HKMG工艺“（代号28HPL）。所以从台积电的情况看其28LP工艺正好满足高通28nm产品的规格。
而据GlobalFoundries此前公布的工艺技术路线图显示，GlobalFoundries生产的28nm低功耗（28nm LP）及高性能（28nm HP）芯片产品均会使用gate-first HKMG工艺，这样，除非GlobalFoundries没份代工大部分高通28nm制程芯片，否则高通走28nm poly/SiON工艺路线的决定，不免会令人猜测他们会不会为高通这个可以算作代工厂商最大客户的合作伙伴而对自己的工艺技术路线图做些修改。不过Clifford表示不愿为哪家厂商将代工其28nm芯片产品作任何评论，称代工商的具体人选还在内部讨论的过程中。
有趣的是，尽管GlobalFoundries的发言人在IDEM会上大肆宣传称其28nm工艺是基于gate-first HKMG工艺基础上的，但他又表示：“不过，我们也本着特事特办的精神，正在为满足某些来自特殊客户的特殊请求而为某些特殊产品提供基于28nm Poly/SiON制程的代工，这类产品并不需要HKMG技术带来的性能提升和漏电降低优势。”而且GlobalFoundries也不会为28 nm Poly/SiON技术建立一整套完备的电路设计系统。
他还表示GlobalFoundries转向HKMG工艺的计划“仍然在正常进行中，我们认为这种工艺对客户的吸引力是非常大的。我们预计HKMG会成为28nm低功耗移动设备用产品，以及28nm高性能设备用产品的绝对主流工艺。”GlobalFoundries还称目前已经有多家客户的芯片产品处于硅片验证阶段，而且公司旗下的德累斯顿Fab1工厂也已经在测试相关的原型芯片，很快便会进入试产阶段。
GlobalFoundries与台积电目前因所用HKMG工艺的不同而在市场上火药味很浓：GlobalFoundries在28nm会使用gate first型HKMG工艺，而台积电则会使用Gate-last HKMG工艺。GlobalFoundries还宣称自己的Gate first HKMG工艺在成本方面要比台积电的Gate-last HKMG工艺节能约10-15%左右。
最后，高通的高管Yeap表示在下一代22/20nm节点，高通计划在几乎自己的所有芯片产品中启用HKMG工艺。CNBeta编译
