High-k 金屬閘極是什麼？電晶體的閘極為什麼換材料

High-k 金屬閘極（high-k metal gate，常簡稱 HKMG）是電晶體閘極的一種做法：把閘極底下那層很薄的二氧化矽絕緣層，換成「介電常數」比較高（high-k）的絕緣材料，最常見的是含鉿的氧化物；閘極本身也從多晶矽換成金屬。新的絕緣層可以做得比較厚、漏電少很多，閘極管住底下通道的力道，卻跟很薄的二氧化矽差不多。

閘極在電晶體裡做什麼？

電晶體是用電控制的小開關，閘極是中間那道閘門（見「電晶體是什麼？」）。閘極不碰底下的通道，中間隔著一層很薄的絕緣層。閘極加上電壓，就隔著這一層把電子吸到矽的表面，排成一條能導電的路。

這層越薄，閘極吸得越用力，開關打開得更快、更徹底。所以很多年來，它跟著電晶體一起越做越薄。

很長一段時間，這一層是二氧化矽，在爐管裡把矽的表面氧化長出來；上面的閘極是多晶矽，一種由許多小塊矽晶拼成、摻了原子會導電的矽（在流程的哪一步做，見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」第 3 步）。

二氧化矽為什麼不能再薄下去？

因為薄到一個程度，電子就直接穿過去了。

絕緣層像一道牆，照理說電子過不去。可是牆薄到只有一兩奈米，也就是幾層原子那麼厚，電子就有機會不用翻牆，直接「穿」過去。這是很小的東西才有的現象，叫穿隧。

穿過去的電子，就是從閘極漏掉的電，又多一條漏電的路。而且它不是慢慢變多：牆每再薄一點點，穿過去的電子就成倍增加。二氧化矽薄到大約兩奈米以下，就漏到不能不管（上百億顆一起漏會怎樣，見「晶片為什麼會耗電？」）。

High-k 是什麼意思？為什麼做厚一點反而好？

k 是介電常數的代號，也寫成希臘字母 κ。介電常數是絕緣材料的一個特性：數字越大，同樣厚度、同樣電壓，閘極隔著它吸住的電子越多。二氧化矽大約是 3.9；含鉿的氧化物看怎麼做，常見的說法在十幾到二十幾，是它的好幾倍。

所以想法很簡單：換一種材料，做厚一點。介電常數是二氧化矽五倍的材料，做成五倍厚，閘極吸電子的力道就跟原來一樣；牆厚了，穿過去的電子就少很多。

業界用「換成二氧化矽要多薄才一樣」來比，叫等效氧化層厚度（EOT）。新材料實際上厚了好幾倍，等效厚度卻可以一樣薄，甚至更薄。

閘極為什麼也從多晶矽換成金屬？

閘極最早是金屬做的（見「CMOS 是什麼？」）。後來改用多晶矽很多年，因為它耐得住後面上千度的加熱，可以先做閘極、再拿它當擋板打出源極和汲極，兩邊一定對齊。

可是多晶矽跟新的絕緣材料搭在一起，就出問題了：

• 門檻調不動：開關要多大的電壓才打開，叫臨界電壓，本來有一部分靠多晶矽裡摻哪一種原子來定。碰上含鉿的氧化物，交界會把門檻卡在偏高的位置。
• 像多墊了一層：開關打開時，多晶矽靠近絕緣層的那一薄層會「空掉」、不太導電，等於多墊一層絕緣層。

換成金屬，這兩個問題都小得多。代價是金屬不能靠摻雜調門檻，主要得挑金屬本身；n 型和 p 型兩種開關要的金屬還不一樣。

大約從 2000 年代後期起，最先進的晶片陸續改成這樣。舊幾代的作法本來就是二氧化矽加多晶矽，現在還有很多晶片在用（見「新聞說的「成熟製程」是什麼？」）。

一步一步：High-k 金屬閘極怎麼做？

麻煩在順序：閘極做好後，還要打出源極和汲極、再加熱讓原子就位（退火），那一步很熱，金屬和新的絕緣層經過那樣的高溫，門檻可能偏掉。所以有兩種作法，下面是簡化過的一般說法。

作法一：先做閘極（gate-first）

1. 鋪絕緣層：洗乾淨後先留一層非常薄的二氧化矽打底，再用原子層沉積（ALD）鋪上含鉿的氧化物（見「薄膜製程是什麼？」）。打底讓交界乾淨，ALD 一輪最多長一層原子，整片才鋪得一樣厚。厚薄差一點，各處電晶體的門檻和漏電就不一樣。
2. 鋪金屬、印出閘極：鋪一層很薄的金屬，常再蓋一層多晶矽，印出一條條閘極、把其他地方蝕刻掉。順序跟以前差不多，這是它的好處。刻不乾淨或傷到底下的絕緣層，開關就做壞了。
3. 打源極汲極、退火：照舊拿閘極當擋板打進原子，再加熱。金屬和絕緣層一起經過高溫，這是它的弱點：門檻可能被烤偏，金屬也只能挑耐熱的。

作法二：後做閘極（gate-last，先放假閘極）

1. 先放一條假閘極：用多晶矽做一條之後要拆掉的閘極，先佔好位置（立體電晶體也這樣做，見「FinFET 和 GAA 是什麼？」）。它耐熱，又能當擋板讓源極汲極對齊。先放真的，會被後面的高溫弄壞。
2. 打源極汲極、退火：趁假閘極還在，把最熱的步驟做完。之後的步驟溫度低得多，真的閘極就不必經過那段高溫。
3. 蓋絕緣層、磨到假閘極露頭：整片蓋上絕緣層，用 CMP 磨平，磨到剛好露出假閘極的頂。磨不到，下一步挖不掉；磨過頭，閘極的高度就不夠。
4. 挖掉假閘極，鋪新的絕緣層：把假閘極蝕刻掉，留下一條窄溝（有的作法連底下的薄氧化層也換掉），再用 ALD 在溝底和溝壁鋪上含鉿的氧化物。溝很窄，每一面都要一樣厚，所以靠一輪一層的 ALD。
5. 鋪金屬、填滿、磨平：n 型和 p 型開關分開鋪不同的薄金屬來定門檻，再填滿導電的金屬，磨掉溝外多的。窄溝裡要疊好幾層金屬，最怕沒填滿；留下空洞，這條閘極就可能做壞。

哪一種比較常用？

後做的步驟多、比較難；可是真的閘極不必經過最熱的那一段，門檻好調，能挑的金屬也多。所以最先進的晶片多半走這一條，鰭式、環繞式閘極的電晶體也是先放假閘極、最後才換上真的。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有 High-k，也沒有金屬閘極。主線「晶片的一生」的虛構助聽器晶片「螢火」用成熟的一代製程，閘極底下那一層，是在研發線唯一一台爐管裡長的氧化層。

這一層長多薄，就是你的事。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，再點「爐管」那一區。早班在投片前一週，三爐只改氧化時間的結果出來了，你要決定時間定在目標正中間，還是縮短一點、做在薄的那一邊：薄一點開關快；太薄，電子容易直接穿過去，待機就漏電，而螢火只靠一顆鈕扣電池。對話裡的「閘極氧化層」點得開，名詞卡展開「多知道一點」，講的就是後來為什麼換材料。

同一個工作點「清洗」那一區，早班要定洗完最多能放多久才進爐管（Q-time）。漏電最後變成什麼，在主線第 10 章「待機電流」。

遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；High-k 金屬閘極的部分照公開的一般資料寫，簡化過，沒有統一數字的地方只寫量級。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。