在半导体制造的不断演进中，先进制程的发展一直是推动行业进步的关键力量。当制程工艺推进到28纳米及以下，HKMG（High-K Metal Gate，高介电常数金属栅极）技术成为了不可或缺的存在。
从物理原理角度来看，随着制程尺寸缩小，传统材料和技术面临严峻挑战。在晶体管中，栅极作为控制电流的关键结构，其性能直接影响着芯片的整体表现。当制程进入28纳米以下，若继续使用传统的二氧化硅(SiO₂)作为栅极电介质，由于其介电常数相对较低（约为3.9-4.5）为了维持对沟道的有效控制，栅氧厚度需要不断减小。但当栅氧厚度薄到2纳米以下时，会出现严重的量子隧穿效应，导致漏电流急剧增大，芯片功耗大幅提升，性能严重下降。
这里需要提出EOT（equivalent oxide thickness）等效氧化层厚度的概念。EOT定义为：high-k介质和纯SiO2栅介质达到相同的栅电容时的栅介质的厚度。
按照如上公式和EOT的概念，我们就可以理解在维持Thigh-k不变的前提下，由于高k介质的介质常数比SiO2/SiON的大，EOT就越小，晶体管的尺寸就能按照摩尔定律的要求继续得以缩小。
HKMG技术中的高介电常数（High-K）材料，如铪基氧化物（HfO₂，介电常数可达20-25甚至更高），能够在相同的物理厚度下实现更强的电场控制，大幅降低漏电流。例如，采用HfO₂替代SiO₂，在同等电场强度下，栅极电介质的厚度可以增加数倍，有效抑制了量子隧穿现象，从而提升了晶体管的性能和稳定性。
除了高的k值,介质同时还必须考虑材料的势垒、能隙、界面态密度和缺陷、材料的化学和热稳定性、与标准CMOS工艺的兼容性等因素。HfO2族的高k介质是目前最有前途的选择之一(其次是 ZrO2族的高k介质)。
介电常数，以其符号ε表示，其单位是法/米（F/m），介电常数反映了电介质对束缚电荷的效率。数值越大，意味着介质中的电荷被束缚得越牢固，材料的绝缘性能就越强。在同样外部电场作用下，介电常数大的材料电荷极化程度低，产生的极化电荷和极化电场相应较小。
但是在传统的多晶硅栅极与高介电常数材料搭配时，会出现阈值电压漂移等问题，严重影响晶体管的性能一致性和稳定性，这是多晶硅与高k介质HfO2中的Hf能够发生反应，产生界面缺陷。其次多晶硅电阻率更大，导致栅极电阻变大，使芯片具有较高的RC推迟从而降低电路的速度。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。
而HKMG技术中的金属栅极（Metal Gate）则有效解决了这一难题。金属栅极通常采用钛、钽等金属合金，其功函数与半导体材料的匹配性更好，能够精确调整晶体管的阈值电压，避免了阈值电压漂移现象。同时，金属栅极的电阻比多晶硅栅极更低，这使得电流在栅极中传输时的能量损耗更小，进一步降低了芯片的功耗，并提高了晶体管的开关速度。
随着制程节点的不断缩小，对晶体管性能的要求越来越高。HKMG技术能够在缩小器件尺寸的同时，保持甚至提升晶体管的性能，满足了先进制程对高性能芯片的需求。在28纳米及以下工艺中，HKMG技术使晶体管既能保持尺寸微缩，又能将漏电流降低至传统工艺的1/10以下 ，极大地提高了芯片的集成度和性能表现。这种性能提升不仅体现在计算速度上，还包括对数据处理的准确性和稳定性，为高性能计算、人工智能、5G通信等对芯片性能要求极高的领域提供了有力支持。
虽然HKMG技术在28纳米以下先进制程中有着不可替代的优势，但它也面临着工艺复杂度高和成本上升等挑战。HKMG工艺对设备精度、材料纯度和工艺监控提出了近乎苛刻的要求，使得产线投资成本较传统工艺提升30%以上 。不过，随着技术的不断发展和成熟，这些问题正在逐步得到解决。相信在未来，HKMG技术将继续在先进制程领域发挥关键作用，推动半导体行业不断向前发展。
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国芯制造
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