近期,，DRAM制造工藝又實現(xiàn)了一次突破,，這次操作來自于SK海力士,，該公司宣布,，已成功開發(fā)出全球首款采用HKMG（High－K Metal Gate）工藝的LPDDR5X內存,，采用1αnm制程,，該款LPDDR5X與上一代產品相比,，功耗降低了25％,，數(shù)據(jù)傳輸速率提高了33％,，并在JEDEC設定的1．01V－1．12V超低電壓范圍內運行。
LPDDR5X用于以手機為代表的移動設備,，它與PC,、服務器用DRAM不同，對低功耗要求很高,，同時,，性能又不能下降太多，通過采用HKMG工藝,，可以更好地保證提高性能地同時,，又降低功耗。
以往,，HKMG工藝主要用于邏輯芯片,，特別是CPU、GPU等處理器,，近些年,，隨著市場需求的發(fā)展，特別是5G通信,、汽車智能化,、VR／AR和使用AI的邊緣計算等應用場景對內存性能的要求越來越高，DRAM制程工藝演進到了10nm－20nm范圍,，此時,，高性能與低功耗的矛盾逐漸凸出，而HKMG是解決這一矛盾體的有效方法,，首先是應用于非移動設備用DRAM,，如服務器中的DRAM，代表企業(yè)是三星,，如今,，HKMG被引入移動設備用DRAM，也就是LPDDR,，也是一個標志性的跨越,。
HKMG是何方神圣？
早期,，集成電路晶體管柵極材料用的是鋁,，采用的相關配套結構是鋁金屬／二氧化硅,，后來發(fā)展到了多晶硅柵，采用的配套結構是多晶硅柵／二氧化硅,，之后又經過一段時間的發(fā)展,，升級到了多晶硅柵／SiON，2007年,，HKMG橫空出世,。
提起HKMG工藝的由來，不得不提到集成電路傳統(tǒng)霸主英特爾,，2007年初,，英特爾宣布在45nm制程節(jié)點處利用新型High－k（高介電常數(shù)）介質材料HfO2（二氧化鉿）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)SiON作為柵介質層，以改善柵極漏電流問題,，同時利用金屬柵代替多晶硅柵,，開發(fā)出了HKMG工藝。之所以是45nm,，是因為半導體制程按照摩爾定律發(fā)展到這個節(jié)點時,，晶體管中最先達到極限的是柵極電介質，傳統(tǒng)的柵極電介質已無法滿足晶體管性能提高,、體積縮小的要求,，易產生漏電流等問題，造成晶體管可靠性下降,，而高K金屬柵則可以解決這一問題,。HKMG工藝的最大特點就是介電常數(shù)高，HKMG以金屬氧化物作為柵極電介質,，與傳統(tǒng)柵極結構相比,，可以減少柵極漏電流，降低工作電壓,，并提高晶體管可靠性,。這是20世紀60年代以來，晶體管技術的重大突破,，也是半導體產業(yè)的一項重要創(chuàng)新,。
可用作高K金屬柵極電介質的金屬氧化物需要具備禁帶寬度高、物理化學性質穩(wěn)定,、熱穩(wěn)定性好,、可制造薄膜材料、與硅元素兼容,、兼容CMOS工藝等特點,。HfO2是主流的高K金屬柵極電介質材料，在半導體產業(yè)得到廣泛應用。但HfO2存在高溫穩(wěn)定性較弱,、與硅兼容性較差,、沉積薄膜易產生缺陷等缺點，新的高K金屬柵極電介質還在開發(fā)過程中,。另外,，鉿基材料與多晶硅柵的兼容性一直是一個問題，所以需要采用金屬柵,。
當然,，采用HKMG技術，對于金屬柵極是有要求的,，金屬柵極的選擇受到多種因素的影響,，具體就不在此詳述了,。
DRAM大廠聚焦HKMG
近些年,，三星電子，SK海力士,、美光這三大存儲芯片廠商競相開發(fā)10nm－20nm制程級別DRAM,，相繼引入了EUV光刻設備，這在以前只會用于制造各種CPU等處理器,，可見市場應用對DRAM要求越來越高,，使得這三大廠商必須在制程工藝方面下更多功夫，因此,，繼 EUV之后,，HKMG成為了另一個焦點。
2021年,，三星電子首次將HKMG工藝用于DDR5,，并推動了商業(yè)化進程。當時,，三星電子曾經表示,，HKMG DDR5內存模塊的功耗比傳統(tǒng)工藝減少了約13％，計劃根據(jù)下一代計算市場的客戶需求,，適時將該內存商業(yè)化,。但是，三星一直沒有公開該款DRAM的商用化案例,。今年,，TechInsights透露了相關信息，該芯片已經應用于一家中國臺灣高性能內存模塊制造商的產品,，據(jù)悉,，該款DRAM是16Gb的DDR5，采用了HKMG工藝制造。
作為三星電子的老對手,，DRAM大廠SK海力士自然不會坐視三星在DRAM技術方面領先,，看到對手在PC、服務器用DRAM上采用了HKMG工藝,，SK海力士更進一步,，將該工藝用在了對功耗要求更高的移動設備DRAM上，也就是前文提到的LPDDR5X,。
那么,，SK海力士是如何做到的呢？
首先要了解一下DRAM的基本結構,，組成DRAM的晶體管有以下幾種：存儲數(shù)據(jù)的單元晶體管（Cell Transistor）,，恢復數(shù)據(jù)的核心晶體管（Core Transistor），涉及控制邏輯和數(shù)據(jù)輸入／輸出的外圍晶體管（Peripheral Transistor）,。隨著技術的進步,，單元晶體管在提高DRAM存儲容量方面取得了一些技術突破。然而,，原來的核心晶體管和外圍晶體管特性越來越不適合DRAM的應用要求,，成為了發(fā)展瓶頸，特別是對于外圍晶體管而言,，只有實現(xiàn)工藝尺寸的進一步微縮,，才能提高性能，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的晶體管時存在的限制，此時,，HKMG工藝就是一個理想方案,。
為了將DRAM的多晶硅柵極／SiON轉換為HKMG柵極，需要對相關工藝進行更改,，還必須對HKMG材料,、工藝和集成流程進行優(yōu)化，以適合新材料和新工藝,。具體來看,，要開發(fā)出一套復雜的工藝（具體情況不得而知，因為這是SK海力士的核心競爭力,，屬于絕對的商業(yè)機密）,，來解決以下幾個問題。
一是要解決兼容性問題,。與多晶硅柵極／SiON相比,，HKMG的熱穩(wěn)定性較弱,，由于DRAM需要在高溫下進行特殊處理，以實現(xiàn)單元陣列結構,，這與邏輯芯片（CPU,、GPU等）采用的HKMG工藝有很大不同。因此,，DRAM中HKMG工藝的特殊性會導致其可靠性下降,，這就必須對HKMG工藝和DRAM集成工藝進行優(yōu)化，以解決可靠性下降問題,。
二是新材料控制,。需要引入工藝控制措施，例如針對新材料的測量方案,，以防止現(xiàn)有器件受到新材料和新工藝的影響,。
三是要開發(fā)具有成本效益的工藝?？赏ㄟ^工藝集成優(yōu)化,，最大限度地減少因引入新材料和新工藝而導致的成本增加。
四是設計與測試優(yōu)化,。隨著柵極材料的變化,，晶體管特性和可靠性與傳統(tǒng)多晶硅柵極／SiON截然不同，為了最大限度地發(fā)揮HKMG的優(yōu)勢,，增強可靠性，需要新設計方案,，并優(yōu)化相關測試,。
總之，通過將HKMG整合,、優(yōu)化成為適用于DRAM工藝的形式,，開發(fā)出新平臺，并通過包括試點操作在內的預驗證工藝來確保方案可行,，從而實現(xiàn)將HKMG工藝用于DRAM量產,。
結語
以往，具備低漏電,、高性能特性的先進制程工藝多用于邏輯芯片,，特別是PC、服務器和智能手機用CPU,，如今,，這些工藝開始在以DRAM為代表的存儲器中應用，再加上EUV等先進設備和工藝的“互通”,，邏輯芯片和存儲器的制程節(jié)點和制造工藝越來越相近,。
在上世紀60年代，當CPU剛開始批量生產的時候，其制造工藝就是基于當時的存儲器SRAM的工藝,，經過幾十年的發(fā)展,，應用系統(tǒng)的變遷對CPU的要求不斷提高，相應的制程工藝隨摩爾定律快速發(fā)展,。相對而言,，存儲器對制程的要求沒有CPU那么高，但隨著應用的進一步發(fā)展,，特別是大數(shù)據(jù)和AI的演進,，原有存儲器制程的發(fā)展節(jié)奏難以滿足應用要求了。因此,，存儲器制程工藝緊追了上來,，目前已經十分接近以CPU為代表的邏輯芯片了。
這樣的發(fā)展也使得CPU和DRAM之間的工藝壁壘變小了,，這也在一定程度上迎合了存算一體發(fā)展趨勢,，也就是將CPU、AI等功能集成進DRAM,。HKMG工藝在DRAM上的應用可以進一步促進存算一體的發(fā)展,。
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