【转载】什么是半导体行业中常说的——High-K材料

先来说说啥是 High-K。这里的 K，指的是介电常数，它衡量的是材料储存电荷的能力。至于介电常数是啥，大伙可以看看我前面的介绍：如何理解半导体材料的介电常数   。

按介电常数高低，材料分为低介电（Low-K）和高介电（High-K）材料。一般 Low-K 材料的介电常数低于 3.0，而 High-K 材料呢，是相对于栅介质材料二氧化硅（SiO₂）来定义的，只要介电常数大于 SiO₂的 3.9，基本就归入 High-K 材料范畴啦。

为啥 High-K 材料这么受关注呢？随着芯片制造工艺不断进步，晶体管尺寸越来越小，在同样面积下能集成更多晶体管，芯片集成度大幅提升。可这也带来了问题，器件尺寸缩小，水平方向上栅极长度变短，垂直方向上源漏变浅，栅极和栅氧化物也更薄了。就拿栅氧化物来说，厚度不断减小，短沟道效应就越来越明显。为了抑制它，就得减小栅介质等效氧化层厚度（EOT）。EOT 就是让 High-K 介质和纯 SiO₂栅介质达到相同栅电容时，纯 SiO₂栅介质的厚度。用 High-K 材料替换 SiO₂，在 EOT 相同的情况下，它的物理厚度能增大，这样栅电流密度就降低了。

半导体业界常用的 High-K 介电常数介质材料是氧化铪（HfO₂），它能有效改善栅极漏电流问题。HfO₂的介电常数达到 25，在相同 EOT 条件下，物理厚度是 SiO₂的好几倍。不过，High-K 介质和多晶硅栅的兼容性不太好，后来金属栅极的使用解决了这个问题，这就是大家常听到的 HKMG（high-k metal gate）工艺 。

再看看 High-K 材料的应用场景。在先进的逻辑芯片制造里，像三星 7 纳米及以下制程的芯片，就采用了 HKMG 工艺。其中，把 HfO₂等 High-K 材料用作栅极介质层，显著降低了栅极漏电流，提升了晶体管的开关性能和可靠性，让芯片能在低功耗下保持高性能计算。在动态随机存取存储器（DRAM）芯片中，也广泛应用了 High-K 材料。比如 HfO₂、ZrO₂等，引入它们后，在相同电容下，介质层厚度能明显增加，大幅抑制了量子隧穿效应导致的漏电流，延长了数据保持时间，还降低了功耗。

总的来说，High-K 材料在半导体制造中作用巨大，它帮助解决了随着芯片尺寸缩小而产生的一系列问题，为半导体技术发展立下汗马功劳。随着科技不断进步，相信 High-K 材料还会在更多领域发光发热，给我们带来更多惊喜。