Het jaar van de hoge-k-materialen

9 september 2010

Welke foundry zet de eerste dozen met geavanceerde 28- en 32-nanometerchips bij zijn klanten voor de deur? Wordt het TSMC, of toch een bedrijf uit IBM’s halfgeleideralliantie? De IC-industrie smult van een hightechrace die de verhoudingen in de foundrybusiness wel eens helemaal overhoop zou kunnen gooien.

‘Foundry has a new technology leader’, schrijft Globalfoundries onomwonden in een kleurig pamflet waarmee het zijn nieuwe ‘revolutionaire’ procestechnologie aanprijst, het zogenaamde hoge-k- en metalen-gateproces (HKMG). De chipmaker voert daarin zes ‘bewijzen’ aan dat zijn HKMG-implementatie superieur is aan die van ‘andere leidende foundry’s’, die er een andere benadering op nahouden – even los gezien van het feit dat Globalfoundries op SOI-substraten produceert en niet op bulk.

Het document noemt TSMC niet bij naam, maar iedereen die een beetje bekend is met de halfgeleiderindustrie weet dat dat het doelwit is van Globalfoundries. Er zijn weliswaar nog enkele andere halfgeleiderproducenten die in staat zijn gelijkwaardige producten te maken, maar daarmee werkt de verzelfstandigde productietak van AMD juist intensief samen. Een platform voor klanten om op drie verschillende continenten dezelfde producten zonder redesigns te maken, is een uitdrukkelijk onderdeel van de strategie van deze halfgeleideralliantie, die informeel door het leven gaat als IBM’s fabclub. Daarnaast doet het samenwerkingsverband gezamenlijk R&D. Zo komt bijvoorbeeld het genoemde HKMG-proces uit deze gedeelde keuken. Behalve IBM en Globalfoundries zijn onder meer Chartered, Infineon, Samsung en STMicroelectronics aangesloten.

TSMC laat zich op zijn beurt niet onberoerd. Hoewel de Taiwanezen aanvankelijk een afwachtende houding aannamen, hebben ze toch een HKMG-proces ontwikkeld voor het aanstaande 28-nanometerhalfknooppunt. Ze hebben daarbij fundamenteel andere keuzes gemaakt dan Globalfoundries en kompanen, en lieten geen gelegenheid onbenut om subtiel en minder subtiel elke andere implementatie – lees: die van de fabclub - in twijfel te trekken. Er voltrok zich de afgelopen jaren dan ook een heftig debat over welke aanpak het beste is: gate-first HKMG van de alliantie of gate-last HKMG, niet alleen in zwang bij TSMC maar ook bij pionier Intel.

Nu HKMG zich eerdaags in de productiepraktijk moet bewijzen, nadert ook de strijd om de gunst van de klant een hoogtepunt. Samsung, erop gebrand zijn foundrybusiness fors uit te breiden, loste onlangs het eerste schot met de mededeling er als eerste foundry in geslaagd te zijn een 32-nanometer-HKMG-proces te kwalificeren voor productie, met een binnen de alliantie afgestemde 28-nanometervariant in de pijplijn. Marktleider TSMC loopt zowaar het risico niet de eerste foundry te zijn met een geavanceerde technologie!

Depletie

HKMG houdt de gemoederen binnen de IC-industrie al vele jaren bezig. Lang voordat ook maar overwogen werd om het fenomeen in productie te nemen, was het immers duidelijk dat er een alternatieve stuurelektrodestructuur zou moeten worden gevonden voor de beroemde Mosfet-transistor. Zoals wel vaker in de chipwereld duurde het uiteindelijk veel langer dan gedacht voordat de gevonden oplossing in de praktijk werd gebracht.

Het draait allemaal om een flinterdun oxidelaagje tussen de stuurelektrode en het stroomkanaal van een transistor. Met het elektrisch veld dat zich daarover opbouwt, wordt het stroompje gereguleerd dat bepaalt of de transistor aan- of uitstaat. Door een uitzonderlijk toeval bleek het natuurlijke oxide van silicium deze isolerende functie uitstekend te vervullen. Veertig jaar lang gebruikte de halfgeleiderindustrie dit materiaal er dan ook dankbaar voor, hoewel er rond de jaren negentig een infusie met stikstof aan te pas moest komen om de isolatie van stuurelektrode en kanaal te verbeteren. Er wordt zelfs beweerd dat silicium zijn dominantie dankt aan zijn oxide. Immers, gewoon je substraat laten oxideren om het gatediëlektricum te maken, wat wil je nog meer?

Het was Intel die met zijn Penryn-processorlijn als eerste HKMG-chips in productie nam.

Probleem is dat het oxide moet balanceren tussen twee eigenschappen. Enerzijds moet het naar analogie van een condensator ervoor zorgen dat er een elektrisch veld wordt opgebouwd en doorgelaten, anderzijds moet het voorkomen dat er een tunnelstroompje gaat lopen of dat de condensator doorslaat. Om ervoor te zorgen dat er zich een groot genoeg veld kan opbouwen, zijn er dunne lagen nodig, maar die hebben een grotere kans op doorslag en zorgen voor lekstromen die tot onnodig energieverlies en warmteontwikkeling leiden. Vroeg of laat is er geen acceptabel compromis meer te vinden tussen veldsterkte en isolatie: de laag kan niet dik en dun tegelijk zijn.Aldus begon de zoektocht naar een nieuw isolerend materiaal. Wetenschappers wisten in welke hoek ze het moesten zoeken: het alternatief zou in ieder geval een hogere diëlektrische constante k moeten hebben, die beschrijft hoe goed een elektrisch veld in een materiaal penetreert ten opzichte van vacuüm (k = 1). Siliciumoxide heeft een k van 3,9, het met stikstof geïnfuseerde siliciumoxidenitride een k van 5. Er zijn legio materialen bekend met een hogere k, maar die zijn niet noodzakelijkerwijs in te passen in de delicate chipfabricageprocessen. Een kwestie van proberen dus, die zoektocht naar hoge-k-materialen.

Als de halfgeleiderfabrikanten toch op zoek waren naar een ander gateoxide, dan konden ze in een moeite door de rest van de stuurelektrode onder handen nemen. In de gate werd tot op heden polykristallijn silicium gebruikt. Dat is een acceptabele geleider, die echter depletie in de hand werkt. Door vorming van een depletielaag bereiken ladingsdragers het grensvlak van polysilicium en oxide niet, waardoor de gate niet optimaal functioneert. Metalen gate-elektrodes hebben dat nadeel niet. Daarnaast was het op papier vrijwel uitgesloten dat polysilicium compatibel zou zijn met het nieuwe diëlektricum. Een hoge-k-materiaal moet dus worden gecombineerd met een metalen gate.

Urgenter

Aan het eind van de vorige eeuw begon HKMG aan een evolutie van researchkwestie naar commercieel relevant onderwerp. Marktonderzoekers voorspelden dat machinebouwers die hun klanten de juiste depositieapparatuur konden leveren op korte termijn binnen zouden lopen (zie kader ‘Hoge-k-materialen en atoomlaagdepositie’). Vanwege taaie compatibiliteitsproblemen met andere materialen duurde het echter tot begin 2007 voordat een chipfabrikant HKMG op productieniveau realiseerde.

Dat was Intel. De chipreus zette voor zijn nieuwe generatie 45-nanometerprocessoren een vorm van hafniumoxide in als hoge-k-materiaal (k = 20-24), in combinatie met een nooit onthuld materiaal als metalen gate. Intels aankondiging ging zoals gebruikelijk gepaard met veel bombastisch pr-geweld, zoals de claim dat de ‘grootste doorbraak in transistortechnologie in veertig jaar’ de ‘redding van de wet van Moore’ betekende. Een doorbraak was het, maar de wet van Moore is wel vaker gered door technologische vooruitgang in de IC-wereld.

IBM, in het verleden nog wel eens de eerste met dit soort procestechnologische nieuwtjes, deed er destijds alles aan om Intels feestje te vergallen, maar tegenwoordig zijn vriend en vijand het erover eens dat Big Blue in deze het onderspit heeft moeten delven. Intel was de eerste met HKMG in productie - waarmee niet gezegd is dat de gigant alle eer toekomt wat betreft R&D-inspanningen. Bovendien hebben processoren op hoge kloksnelheden als eerste te lijden onder ‘lekkende’ gates. Voor Intel was de kwestie dus urgenter dan voor menig andere chipmaker.

Het gateoxide scheidt de stuurelektrode van de rest van de transistor.

TSMC had er bijvoorbeeld niet zo’n haast mee. De Taiwanese foundry stelde zich vanaf het begin kritisch op ten aanzien van HKMG - niet vanuit een technologisch maar vanuit een kostenperspectief. In de loop van 2008 ging het bedrijf toch overstag, maar liet het weten alleen voor high-end applicaties een HKMG-proces te gaan aanbieden op 28 nanometer. Voor vele andere toepassingen volstaan oxynitride gates nog steeds, vond en vindt TSMC, en gezien de lagere kosten ligt het daarom in de lijn der redelijkheid om dat proces aan te blijven bieden. Desalniettemin werd in 2008 duidelijk dat 2010 het jaar van de waarheid zou zijn voor HKMG: alle grote logic-makers beloofden toen het proces dit jaar te gaan implementeren. Deze zomer is het bijna zover.

Ontwerpregels

Het is meer dan een prestigekwestie wie als eerste dozen met 32- of 28-nanometerchips – laten we die voor het gemak maar als gelijkwaardig beschouwen – bij zijn klanten op de stoep kan zetten. Wie als eerste over de finish komt, toont marktleiderschap. Nieuwkomers in de foundrybusiness als Globalfoundries en Samsung zien het dan ook als een ideale manier om zich te positioneren. Omgekeerd is TSMC er veel aan gelegen om dat te voorkomen. De Taiwanezen kunnen de hete adem van concurrenten in het geavanceerde en lucratieve segment missen als kiespijn.

Tegen deze achtergrond wekt het geen verbazing dat er vorig jaar allerlei ‘debatjes’ in de media en op conferenties opdoken over HKMG-technologie. Niet altijd waren dat louter wetenschappelijke gedachtewisselingen over technologische problemen; een concurrent vliegen afvangen is tenslotte altijd meegenomen. In dat stadium ging de discussie niet meer over óf HKMG geïmplementeerd zou moeten worden, maar hóe.

De IBM-fabclub staat het gate-first-proces voor, dat in uitvoering het meest lijkt op de gebruikelijke manier om de gate te fabriceren. Hierbij worden het hoge-k-diëlektricum en de metalen elektrode gedeponeerd voordat de bron en afvoer hun behandeling krijgen met ionimplantatie en het geheel wordt afgebakken, net als in de traditionele CMos-procesflow. TSMC en Intel gaan uit van een gate-last- of gate replacement-proces, waarbij er tijdelijke dummygates van polysilicium worden aangebracht voordat de bron en afvoer worden gemaakt. Pas daarna worden de definitieve, metalen gates neergelegd. Gate-first en gate-last zijn overigens generieke begrippen: voor beide zijn er vele processchema’s te bedenken die aan de beschrijving voldoen. Details over hun specifieke keuzes geven chipmakers uiteraard niet.

Waarom is het de moeite waard de omweg van de gate-last-aanpak te nemen? Intel en TSMC, dat overigens in de loop der tijd de overstap heeft gemaakt van gate-first naar gate-last, claimen verschillende voordelen. Door de afbakstap te doen voordat de ‘echte’ gates zijn aangebracht, worden allerlei storende invloeden van hoge temperaturen beperkt. In het bijzonder zou de drempelspanning van vooral PMos de neiging hebben te gaan verschuiven. Daar komt nog eens bij dat de dummygate-aanpak het mogelijk maakt verschillende metalen voor NMos en PMos te kiezen en dus onder meer de drempelspanning verder te optimaliseren. Vanuit dit perspectief tackelt gate-last inderdaad een van de grootste uitdagingen van HKMG-implementatie - het tunen van de drempelspanning – het beste.

De proponenten van gate-first zeggen dat de problemen allemaal wel onder controle te houden zijn, en wie dat goed doet rijkelijk wordt beloond. Gate-first staat voor minder restrictieve ontwerpregels, kleinere dies en gemakkelijke IP-overdracht – zonder aan performance in te boeten uiteraard, aldus de fabclub.

Oorlog

Inmiddels is technisch soebatten over gate-first en gate-last ook alweer een gepasseerd station. Bij de fabclub bestaat blijkens recente uitspraken van IBM’s halfgeleideronderzoeksbaas Gary Patton de indruk dat de alliantie in dat debat het onderspit heeft moeten delven, of in ieder geval dat TSMC er voldoende in is geslaagd ‘fear, uncertainty and doubt’ te creëren ten aanzien van de gate-first-implementatie. Met Samsungs aankondiging klaar te zijn voor HKMG-productie poogt de alliantie het pr-tij weer in zijn voordeel te keren.

In werkelijkheid is het onmogelijk te bepalen wie voorloopt in de nek-aan-nekrace om HKMG-chips op de post te doen. Analisten gaan uit van een fotofinish, blijkt uit een rondgang van Solid State Technology. Het zal het nog geruime tijd duren voordat een winnaar in HKMG wordt aangewezen. Gate-first en gate-last hebben elk sterke en zwakke punten, die afhankelijk van de wensen van de eindgebruikers al dan niet spelbrekers of essentiële eigenschappen blijken te zijn. Ook de (on)mogelijkheid de technologie naar het 22-nanometerknooppunt over te zetten, is een belangrijk aspect waarover nog geen duidelijkheid bestaat.

Eén ding is in ieder geval nu al zeker: er ís een race gaande, een oorlog noemen sommigen het zelfs. Voor het eerst in lange tijd heeft TSMC echt concurrentie te duchten op het geavanceerde vlak. Zoiets is niet alleen smullen geblazen voor het hele IC-industrie, het zal ook een grote impact hebben op de elektronicamarkten.

Paul van Gerven

Terug naar overzicht