芯耀
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在半導(dǎo)體制造的不斷演進(jìn)中，先進(jìn)制程的發(fā)展一直是推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵力量。當(dāng)制程工藝推進(jìn)到28納米及以下，HKMG（High-K Metal Gate，高介電常數(shù)金屬柵極）技術(shù)成為了不可或缺的存在。
從物理原理角度來(lái)看，隨著制程尺寸縮小，傳統(tǒng)材料和技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在晶體管中，柵極作為控制電流的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其性能直接影響著芯片的整體表現(xiàn)。當(dāng)制程進(jìn)入28納米以下，若繼續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO?)作為柵極電介質(zhì)，由于其介電常數(shù)相對(duì)較低（約為3.9-4.5）為了維持對(duì)溝道的有效控制，柵氧厚度需要不斷減小。但當(dāng)柵氧厚度薄到2納米以下時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的量子隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致漏電流急劇增大，芯片功耗大幅提升，性能嚴(yán)重下降。
這里需要提出EOT（equivalent oxide thickness）等效氧化層厚度的概念。EOT定義為：high-k介質(zhì)和純SiO2柵介質(zhì)達(dá)到相同的柵電容時(shí)的柵介質(zhì)的厚度。
按照如上公式和EOT的概念，我們就可以理解在維持Thigh-k不變的前提下，由于高k介質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)比SiO2/SiON的大，EOT就越小，晶體管的尺寸就能按照摩爾定律的要求繼續(xù)得以縮小。
HKMG技術(shù)中的高介電常數(shù)（High-K）材料，如鉿基氧化物（HfO?，介電常數(shù)可達(dá)20-25甚至更高），能夠在相同的物理厚度下實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的電場(chǎng)控制，大幅降低漏電流。例如，采用HfO?替代SiO?，在同等電場(chǎng)強(qiáng)度下，柵極電介質(zhì)的厚度可以增加數(shù)倍，有效抑制了量子隧穿現(xiàn)象，從而提升了晶體管的性能和穩(wěn)定性。
但是在傳統(tǒng)的多晶硅柵極與高介電常數(shù)材料搭配時(shí)，會(huì)出現(xiàn)閾值電壓漂移等問(wèn)題，嚴(yán)重影響晶體管的性能一致性和穩(wěn)定性，這是多晶硅與高k介質(zhì)HfO2中的Hf能夠發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生界面缺陷。其次多晶硅電阻率更大，導(dǎo)致柵極電阻變大，使芯片具有較高的RC推遲從而降低電路的速度。消除多晶硅耗盡效應(yīng)(Poly-Depletion Effect）在多晶硅柵極中，當(dāng)電路處于“打開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，靠近柵介質(zhì)的部分的多晶硅層會(huì)被耗盡，導(dǎo)致柵極實(shí)際的電容減小。而金屬柵極本身是良導(dǎo)體，因此在柵極材料中不會(huì)出現(xiàn)耗盡區(qū)。
而HKMG技術(shù)中的金屬柵極（Metal Gate）則有效解決了這一難題。金屬柵極通常采用鈦、鉭等金屬合金，其功函數(shù)與半導(dǎo)體材料的匹配性更好，能夠精確調(diào)整晶體管的閾值電壓，避免了閾值電壓漂移現(xiàn)象。同時(shí)，金屬柵極的電阻比多晶硅柵極更低，這使得電流在柵極中傳輸時(shí)的能量損耗更小，進(jìn)一步降低了芯片的功耗，并提高了晶體管的開(kāi)關(guān)速度。
雖然HKMG技術(shù)在28納米以下先進(jìn)制程中有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，但它也面臨著工藝復(fù)雜度高和成本上升等挑戰(zhàn)。HKMG工藝對(duì)設(shè)備精度、材料純度和工藝監(jiān)控提出了近乎苛刻的要求，使得產(chǎn)線投資成本較傳統(tǒng)工藝提升30%以上 。不過(guò)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，這些問(wèn)題正在逐步得到解決。相信在未來(lái)，HKMG技術(shù)將繼續(xù)在先進(jìn)制程領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)不斷向前發(fā)展。
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