高K-金属栅极和45纳米有什么关系？(中篇——大海捞针寻找新的替代材料)

作者 赵军, 2007年11月09日

中篇——大海捞针寻找新的替代材料

既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途，那么就要另辟蹊径，有没有可以代替二氧化硅的材料呢？就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”，用以更好的分隔栅极和晶体管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。

说到这里，需要先解释一下，什么是材料的高介电常数和场效应？就是材料应具有良好的绝缘属性，同时在栅极和晶体硅衬底上的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应——就是高-K。

高的绝缘属性和高-K属性都是高性能晶体管的理想属性。K 其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种材料存储电荷(正电荷或者负电子)的能力。类比于不同吸水的材料，海绵可以吸附和存储大量的水，木头可以存储一些水分，所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料能够更好地存储电荷。

下面的示意图中，采用了2种不同K值的材料(灰色部分)，为了方便说明，假定最左边材料的K值为1，中间和最右边材料的K值为=2。


给定相同的电压V+(图示中为正电压)，如果材料的厚度相同，K=2的材料存储电荷的能力是K=1的材料存储电荷能力的2倍——图示最左边和中间的相比。如果K=2材料的厚度为K=1材料的2倍，那么存储电荷的能力就相同了——图示最左边和最右边的相比。

拥有更高的“K”值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，也可以更厚些——同时保持着更理想的属性。因此，高K材料可以大幅减少漏电量。

虽然知道了目标，但是要找到高K的材料，并用之完善地代替目前的二氧化硅作为新的栅极介电质可不是一件轻而易举的事情。在元素周期表里找到符合条件的可能元素，然后对这些元素的氧化物和硅酸盐进行一个一个的筛选。需要经过无数次的试验和测试它们的：介电常数、电气特性的稳定性、形成场效应的结构、是否和硅兼容等等。

在最初的两年里，没有太多的进展，研究人员经历了数不清的失败和沮丧。研究人员付出的艰辛是难以想象的，因为没有前人的路可以走，没有可以参考的现成资料。如果没有创新的勇气和韧性，没有对已有经验和认识的否定，就不可能做到这样的技术突破。

最终找到了一种基于金属铪(读音为哈，英文为Hafnium)的氧化物，这种材料具有高K的潜质。好事多磨，这种材料作为新的栅极介电质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。长话短说，英特尔的研究人员又经过了更多次的试验和筛选，终于找到了解决办法，就是采用金属代替多晶硅作为栅极材料，而且对于PMOS和NMOS晶体管采用的金属是不一样的，因此英特尔45纳米的处理器中将有2种金属作为栅极材料。那么这两种金属是哪两种金属呢？呵呵，对不起，这还是商业秘密，目前还不便于对外公布。

下图中就是目前标准晶体管结构的示意图，这种晶体管的材料在过去将近四十年没有太大的变化：在晶体硅衬底上的栅极是多晶硅，栅极介电质是二氧化硅。

下图是新的“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管。注：介电质也称为介质。

新的材料找到了，那么在具体的实现中，这些新材料能给晶体管带来所期望的结果吗？请等我的下篇。

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