芯耀
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在半導體制造的不斷演進中，先進制程的發(fā)展一直是推動行業(yè)進步的關鍵力量。當制程工藝推進到28納米及以下，HKMG（High-K Metal Gate，高介電常數金屬柵極）技術成為了不可或缺的存在。
從物理原理角度來看，隨著制程尺寸縮小，傳統材料和技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在晶體管中，柵極作為控制電流的關鍵結構，其性能直接影響著芯片的整體表現。當制程進入28納米以下，若繼續(xù)使用傳統的二氧化硅(SiO?)作為柵極電介質，由于其介電常數相對較低（約為3.9-4.5）為了維持對溝道的有效控制，柵氧厚度需要不斷減小。但當柵氧厚度薄到2納米以下時，會出現嚴重的量子隧穿效應，導致漏電流急劇增大，芯片功耗大幅提升，性能嚴重下降。
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介質和純SiO2柵介質達到相同的柵電容時的柵介質的厚度。
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介質的介質常數比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技術中的高介電常數（High-K）材料，如鉿基氧化物（HfO?，介電常數可達20-25甚至更高），能夠在相同的物理厚度下實現更強的電場控制，大幅降低漏電流。例如，采用HfO?替代SiO?，在同等電場強度下，柵極電介質的厚度可以增加數倍，有效抑制了量子隧穿現象，從而提升了晶體管的性能和穩(wěn)定性。
但是在傳統的多晶硅柵極與高介電常數材料搭配時，會出現閾值電壓漂移等問題，嚴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HfO2中的Hf能夠發(fā)生反應，產生界面缺陷。其次多晶硅電阻率更大，導致柵極電阻變大，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(Poly-Depletion Effect）在多晶硅柵極中，當電路處于“打開”狀態(tài)時，靠近柵介質的部分的多晶硅層會被耗盡，導致柵極實際的電容減小。而金屬柵極本身是良導體，因此在柵極材料中不會出現耗盡區(qū)。
而HKMG技術中的金屬柵極（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，其功函數與半導體材料的匹配性更好，能夠精確調整晶體管的閾值電壓，避免了閾值電壓漂移現象。同時，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的能量損耗更小，進一步降低了芯片的功耗，并提高了晶體管的開關速度。
雖然HKMG技術在28納米以下先進制程中有著不可替代的優(yōu)勢，但它也面臨著工藝復雜度高和成本上升等挑戰(zhàn)。HKMG工藝對設備精度、材料純度和工藝監(jiān)控提出了近乎苛刻的要求，使得產線投資成本較傳統工藝提升30%以上 。不過，隨著技術的不斷發(fā)展和成熟，這些問題正在逐步得到解決。相信在未來，HKMG技術將繼續(xù)在先進制程領域發(fā)揮關鍵作用，推動半導體行業(yè)不斷向前發(fā)展。
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