近期，DRAM制造工藝又實現了一次突破，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%，數據傳輸速率提高了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。

01、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霸主英特爾，2007年初，英特爾宣布在45nm制程節點處利用新型High-k（高介電常數）介質材料HfO2（二氧化鉿）來代替傳統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展到這個節點時，晶體管中最先達到極限的是柵極電介質，傳統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高，HKMG以金屬氧化物作為柵極電介質，與傳統柵極結構相比，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，也是半導體產業的一項重要創新。

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、物理化學性質穩定、熱穩定性好、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，在半導體產業得到廣泛應用。但HfO2存在高溫穩定性較弱、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。

02、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工藝減少了約13%，計劃根據下一代計算市場的客戶需求，適時將該內存商業化。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：存儲數據的單元晶體管(Cell Transistor)，恢復數據的核心晶體管(Core Transistor)，涉及控制邏輯和數據輸入/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，成為了發展瓶頸，特別是對于外圍晶體管而言，只有實現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化，以適合新材料和新工藝。具體來看，要開發出一套復雜的工藝（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的熱穩定性較弱，由于DRAM需要在高溫下進行特殊處理，以實現單元陣列結構，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，以防止現有器件受到新材料和新工藝的影響。

三是要開發具有成本效益的工藝。可通過工藝集成優化，最大限度地減少因引入新材料和新工藝而導致的成本增加。

四是設計與測試優化。隨著柵極材料的變化，晶體管特性和可靠性與傳統多晶硅柵極/SiON截然不同，為了最大限度地發揮HKMG的優勢，增強可靠性，需要新設計方案，并優化相關測試。

總之，通過將HKMG整合、優化成為適用于DRAM工藝的形式，開發出新平臺，并通過包括試點操作在內的預驗證工藝來確保方案可行，從而實現將HKMG工藝用于DRAM量產。

03、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，經過幾十年的發展，應用系統的變遷對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展，特別是大數據和AI的演進，原有存儲器制程的發展節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展。

審核編輯：郭婷