由于傳統微縮(scaling)技術系統的限制，DRAM的性能被要求不斷提高，而HKMG(High-k/Metal Gate)則成為突破這一困局的解決方案。SK海力士通過采用該新技術，并將其應用于全新的1anm LPDDR5X DRAM, 即便在低功率設置下也實現了晶體管性能的顯著提高。本文針對HKMG及其使用益處進行探討。

厚度挑戰: 需要全新的解決方案

組成DRAM的晶體管(Transistor)包括存儲數據的單元晶體管(Cell Transistor)、恢復數據的核心晶體管(Core Transistor)，以及涉及控制邏輯和數據輸入和輸出的外圍晶體管(Peripheral Transistor)。隨著技術的進步，單元電容器和單元晶體管在提高DRAM存儲容量方面取得了一些技術突破。另一方面，對于外圍晶體管，重點是實現工藝尺寸微縮以提高性能。

柵極由絕緣膜(柵氧化層, gate oxide)和電極(柵電極, gate electrode)組成，在晶體管開關功能中發揮主要作用。柵氧化層由SiON氧化物絕緣體和聚硅基電極組成。隨著晶體管微縮的提升，源極1)和漏極2)之間的距離越來越近，電流移動速度加快，但施加在柵極上的電壓也會降低，以降低功耗。

但還存在一個問題：為了在較低電壓下提高性能，必須減小柵氧化材料(SiON)的厚度(Tox)。但隨著厚度不斷減小，柵氧化層的可靠性也會降低，從而導致功率損耗，這限制了厚度的進一步減小。

圖1. Transistor Scaling(晶體管微縮)

HKMG: 微縮與性能的突破

在2005年前后，邏輯半導體3)中基于多晶硅柵極(Poly-Si Gate)/SiON氧化物(poly/SiON)的傳統微縮在性能改進方面開始表現出局限性，因為它無法減小SiON柵氧化層的厚度。為了克服這些局限性，根據邏輯晶體管行業發展趨勢，許多具有顛覆性的創新技術被開發出來。

同樣明顯的是，外圍/核心晶體管特性正成為DRAM的瓶頸，在需要快速提高性能的高端產品中尤為如此。因此，需要一種全新的解決方案來克服微縮基于多晶硅柵極/SiON氧化物的晶體管時存在基本限制，并且需要在DRAM中采用高k/金屬柵極(HKMG)技術，這促使邏輯晶體管技術實現了最重大的創新。

圖2. Logic Scaling(邏輯微縮)的機遇與挑戰

借助HKMG，一層薄薄的高k薄膜可取代晶體管柵極中現有的SiON柵氧化層，以防止泄漏電流和可靠性降低。此外，通過減小厚度，可以實現持續微縮，從而顯著減少泄漏，并改善基于多晶硅/SiON的晶體管的速度特性。

圖3. 設備架構的微縮進程

在學術界和工業界，研究人員研究了多種高k薄膜材料。通常情況下，基于Hf的柵氧化層用于高溫半導體制造工藝，因為它們可以確保自身和硅的熱穩定性。為了防止現有多晶硅電極材料與高k柵氧化層之間的相互作用，必須引入金屬電極來代替多晶硅。這使得名為高k/金屬柵極的集成解決方案應運而生，該解決方案將高介電常數柵氧化層與金屬電極相結合。

圖4. 采用HKMG的效果

為了將SiON/Poly柵極轉換為HKMG柵極，對相關工藝的幾個部分進行了更改，包括在DRAM工藝流程中形成外圍電路（外圍晶體管）的柵極材料(SiON/Poly柵極拔出→HKMG電極插入)。然而，必須對HKMG材料、工藝和集成流程進行優化，以適合新材料和新工藝的構建塊。因此，需要利用復雜的開發工藝來應對以下挑戰。

圖5. HKMG讓DRAM開發更加有效且經濟

1. 兼容性:與SiON/Poly柵極相比，HKMG的熱穩定性相對較弱。具體來說，DRAM需要在高溫下進行額外處理，以實現單元陣列結構，與后續工藝流程中對通用邏輯半導體的處理方式截然不同。由于這個原因，HKMG本身的可靠性下降，導致在傳統邏輯半導體中未出現相互作用。因此，必須對HKMG工藝本身和現有DRAM集成工藝進行優化，以了解新交互帶來的新問題并找到解決方案。

2. 新材料控制:需要引入工藝控制措施，例如針對新物質的測量解決方案，以防止現有設備和產品受到新物質和新工藝的影響。

3. 設計與測試優化:隨著柵極材料的變化，晶體管特性和可靠性表現與傳統的poly/SiON柵極截然不同，為了最大限度地發揮HKMG的優勢，增強不同于poly/SiON柵極的可靠性特征，有必要應用新設計和設計方案，并優化此類測試。

4. 經濟高效的工藝解決方案:最后，必須提供經濟高效的解決方案，通過工藝集成優化，最大限度地減少因引入新材料和新工藝而增加的成本。通過這種方法，可以控制因引入新工藝、新設備和新工藝步驟而增加成本。

圖6. HKMG Application

領先的低功耗解決方案

SK海力士通過將HKMG工藝整合為適用于DRAM工藝的形式，進行了平臺開發。盡管面臨極端的技術挑戰，但公司通過識別與DRAM流相互作用相關的任何潛在風險，并通過包括試點操作在內的預驗證工藝來確保解決方案，成功開發和批量生產HKMG。公司的目標是通過推進從SiON/Poly柵極到升級構件HKMG的過渡，為下一代技術節點和產品帶來卓越的技術創新。

SK海力士的LPDDR5X DRAM是首款在低功耗應用中使用HKMG成功批量生產的產品，通過大尺度微縮，同時利用全新HKMG晶體管構建塊的優勢了，晶體管的性能獲得顯著提升；考慮到HKMG的固有特性和針對HKMG優化的設計方案，可以有效控制泄漏電流，較之poly/SiON，速度提高33%，功耗降低25%。SK海力士的技術不僅達到行業的目標標準，還因為最低功耗而實現ESG價值最大化。

為此，SK海力士還將HKMG技術平臺擴展至可支持低功耗和高性能產品，增強了在下一代HKMG技術方面的技術競爭力。

最后希望特別指出的是，近期在HBM、PIM、AiM等邏輯半導體架構和存儲器半導體架構之間的融合上呈現出技術創新之勢，而HKMG工藝在DRAM中的應用正契合了這一趨勢。這表明，在半導體制造過程中，邏輯半導體的先進技術解決方案與DRAM工藝技術之間的融合正在全面展開。

審核編輯 ：李倩