HKMG工艺为什么要用金属栅极?

知识星球里的学员问:在HKMG工艺中,会用到HfO2等作为栅介质层,为什么不能再用多晶硅做栅极,而是改为金属栅极?

什么是HKMG工艺?

HKMG(High-K Metal Gate ),是45nm,32nm,22nm及以下节点多采用的工艺,它使用高k材料做栅介质层,用金属材料(如铪,钛,钽)来取代传统的多晶硅栅极。

关于HKMG工艺,可以见之前的文章:

++为什么要用高k材料做栅介质层材料?++

HKMG工艺优点?

1, 高K材料增加了栅极介质的等效氧化物厚度(EOT),从而显著降低了漏电流。

2,晶体管尺寸可以进一步缩小,同时具有高性能和低功耗的优势。

为什么要用金属栅极而不是多晶硅栅极?

1,多晶硅与高k介质不兼容。多晶硅与高k介质HfO2中的Hf能够发生反应,产生界面缺陷。

2,多晶硅电阻率更大,导致栅极电阻更大。使芯片具有较高的RC延迟,降低了电路的开关速度。

3,消除多晶硅耗尽效应(Poly-Depletion Effect)。在多晶硅栅极中,当电路处于"打开"状态时,靠近栅介质的部分的多晶硅层会被耗尽,导致栅极实际的电容减小。而金属栅极本身是良导体,因此在栅极材料中不会出现耗尽区。

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