[Rulebreakers’ Revolutions] SK海力士全球首次应用HKMG工艺，突破移动端DRAM微细化壁垒

 

在日新月异的半导体行业中，是什么推动了进步？发明创新无疑是进步的重要驱动力，然而重新构建现有技术的创新应用，同样能够打破进步壁垒。SK海力士正是通过这种方式，在移动端DRAM领域取得了巨大进展。

在半导体行业不懈努力追求移动端DRAM持续微细化¹之际，SK海力士已凭借全球首次将HKMG（High-K Metal Gate）工艺成功引入移动端DRAM的举措，取得了重大技术突破。通过对成熟的HKMG工艺进行再创新性应用，公司成功研发出新一代LPDDR²产品，并树立了产品性能新标杆。

¹微细化：通过缩小半导体的尺寸，以提高设备性能、优化功耗效率，并降低成本。
²低功耗双倍数据速率 (LPDDR)：用于智能手机、平板电脑等移动设备的低功耗DRAM产品，致力于尽可能降低功耗，并在低电压下运行。

本期文章将聚焦 SK海力士对HKMG工艺的突破性应用，以及回顾当时将此工艺整合到移动端DRAM时所克服的挑战。

使命：解决功耗问题，持续推进移动端DRAM微细化

随着端侧AI（On-Device AI）和其他应用的不断发展，对移动设备性能的要求也日益提高。因此，移动端DRAM必须不断进行微细化改进，以实现更快的处理速度，并在保持低功耗的同时支持相关应用。然而，通过传统工艺不断缩小移动端DRAM晶体管的尺寸存在一定的技术问题。

DRAM通常由存储数据的单元晶体管和负责数据输入与输出的外围晶体管（peri.）组成。为了提高DRAM性能，需要缩小晶体管的尺寸，使源极（Source）³和漏极（Drain）⁴更接近，以便增加电流。而为了降低功耗，则需要降低栅极（Gate）⁵的工作电压。因此，必须减薄栅极绝缘膜，以在较低电压下提高晶体管的性能。

在普通DRAM产品中，包括移动端DRAM在内，绝缘膜通常由氮氧化硅（SiON）制成，其厚度减薄后会出现可靠性问题。此外，SiON绝缘膜减薄会导致漏电流⁶增加，进一步增加功耗。考虑到低功耗对延长单次充电使用时间至关重要，因此对于需要电池供电的移动设备而言，这是一个极为重要的问题。

³源极 (Source)：大多数电荷载流子通过其流入晶体管的端子。
⁴漏极 (Drain)：大多数电荷载流子从晶体管流出的端子。
⁵栅极 (Gate)：晶体管中的一种元件，通过充当开关来控制电流的流动。
⁶漏电流：晶体管处于关闭状态时出现的非预期电流。

传统晶体管中的SiON绝缘膜阻碍了DRAM微细化发展

 

为了解决功耗问题，并确保移动端DRAM在保持性能的同时持续微细化，SK海力士再次打破常规，采用了一项历史悠久的工艺——HKMG。

过去成就未来： 全球首创的 HKMG 应用与集成挑战

早在十几年前，HKMG工艺就已实现了商业化应用。最初，它被用于逻辑半导体领域，随后又被应用到高性能DRAM存储器中。尽管HKMG工艺属于成熟的技术范畴，但当其他公司仍沿用传统工艺时，SK海力士早已将其视为能够解决移动端DRAM微细化壁垒的解决方案。SK海力士对HKMG工艺进行了开创性的应用和工艺优化，彻底改变了移动端DRAM领域的格局，并为超低功耗和超高速DRAM解决方案铺平了道路。

HKMG工艺的突破性应用，为移动DRAM带来了持续微细化发展的无限可能

 

那么，HKMG工艺是什么？它又是如何解决传统 SiON工艺的现有问题呢？HKMG工艺是一种使用高K薄膜替代晶体管中传统SiON绝缘膜，从而防止漏电流并提高可靠性的技术。高K薄膜具有极高的介电常数⁷，其电气特性相当于五倍厚度的普通薄膜，这种更薄的薄膜实现了更为微细化的晶体管结构，与采用SiON绝缘膜的晶体管相比，速度更快、功耗更低。

⁷介电常数：栅极内可存储多少电子的程度。

HKMG工艺解决了传统晶体管中SiON绝缘膜相关的功耗和性能问题

 

由于HKMG整体工艺之前从未应用于移动端DRAM，SK海力士不得不优化相关工艺，克服挑战以确保其顺利应用。公司当时最为担忧的主要风险之一是将HKMG工艺应用于移动端DRAM可能会导致产品缺陷，尤其是首次将HKMG工艺应用于LPDDR产品时，新材料可能会引发稳定性问题从而导致芯片产生缺陷。为解决这一难题，SK海力士对实验产品进行了预评估。通过各项评估和测试，并结合跨公司的专业知识，SK海力士成功地最大化了晶体管性能，最终为移动端DRAM提供了集成工艺解决方案。

解锁全新 LPDDR 解决方案

首款应用HKMG工艺的移动端DRAM产品在功率和速度方面实现了巨大飞跃

 

SK海力士成功将HKMG工艺与移动端DRAM结合，为其开发新型超低功耗和超高速LPDDR解决方案铺平了道路。2022年11月，SK海力士发布了全球首款集成HKMG工艺的移动端DRAM——LPDDR5X（Low Power Double Date Rate 5X）。其超低运行电压为1.01-1.12V，运行速度达8.5 Gbps，较上一代产品速度提升了33%，功耗降低了21%，这不仅符合降低碳排放的可持续性目标，同时也满足了技术指标要求。

仅两个月后，SK海力士再次树立了移动端DRAM新标准，推出了LPDDR5T（Low Power Double Data Rate Turbo）。与LPDDR5相比，两者运行电压相同，其功耗却降低了21%，速度较上一代产品也有大幅提升。LPDDR5T发布时，创造了全球最快的移动端DRAM速度，运行速度达9.6Gbps，比LPDDR5X快13%，比LPDDR5快50%，如此高的速度原本被认为只有在下一代LPDDR6上才能实现。而公司之所以能够提前达到新高度，很大程度上要归功于HKMG工艺的应用。

打破常规者专访：产品解决方案PI部门，崔钟赞TL

为了解更多在移动DRAM中应用HKMG工艺的 “打破常规 ”方法，本文采访了产品解决方案PI部门的崔钟赞TL。曾在HKMG工艺首次应用于LPDDR产品时，协助开发工艺解决方案的崔钟赞TL分享了HKMG工艺的未来发展方向，并探讨了其在移动DRAM领域以外的潜在应用。