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Hi-K金属栅极工艺解析
资料介绍
一、工艺诞生背景
传统CMOS工艺长期采用SiO2作为栅介质材料，多晶硅作为栅极材料。随着摩尔定律推进，芯片特征尺寸不断缩小，当工艺节点进入90nm以下阶段，SiO2栅介质的厚度已经降低到1.2nm以下，仅相当于几个原子层的厚度。此时量子隧穿效应变得极为显著，栅极漏电流急剧增大，芯片静态功耗飙升，已经无法满足器件性能与功耗的平衡要求。
同时，多晶硅栅极存在多晶硅耗尽效应，会导致有效栅电容下降，器件驱动能力降低，无法满足小尺寸器件对栅控能力的要求。为了解决上述两大核心问题，业界迫切需要替代传统SiO2/多晶硅栅极结构的新技术，Hi-K金属栅极工艺应运而生，成为延续摩尔定律的核心工艺之一。
二、核心概念与基本原理
2.1 Hi-K栅介质
Hi-K即高介电常数（High-K），介电常数K是衡量材料存储电荷能力的物理量，传统SiO2的介电常数约为3.9。Hi-K材料的介电常数远高于SiO2，因此在保持相同等效氧化层厚度（EOT）的情况下，可以获得更大的物理厚度，从而有效抑制量子隧穿效应，降低栅极漏电流。例如等效氧化层厚度为1nm时，介电常数为25的Hi-K材料物理厚度约为6.4nm，远厚于SiO2的1nm，漏电流可以降低多个数量级。
2.2 金属栅极
金属栅极替代传统多晶硅栅极，一方面消除了多晶硅耗尽效应，提升栅控能力，另一方面金属具有更低的电阻率，能够降低栅极电阻，改善器件的频率特性，减少RC延迟。不同功函数的金属还可以分别匹配NMOS和PMOS器件的阈值电压要求，实现对阈值电压的灵活调控。
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