HKMG工艺，打破常规

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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持续微细化之际，SK海力士已凭借全球首次将HKMG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。

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。

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。

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，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。

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

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。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。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。

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。

您能分享下更多将HKMG工艺应用于移动 DRAM的原因吗？

“在AI时代，市场对移动端DRAM的需求是兼备功耗低和速度快的特性。一般来说，功耗和速度之间存在着一种权衡关系，很难做到同时提升两方面的性能。然而，HKMG工艺正是可以攻克这一难题的解决方案。

“为了重新夺回移动端DRAM市场的领导地位，并实现最快的速度的目标，我们决定将HKMG技术应用于移动端DRAM。我相信，通过显著改善漏电和速度问题，它将为满足客户不同需求、拓展各种DRAM 应用奠定坚实基础。”

您如何看待HKMG工艺及基于HKMG工艺的解决方案发展前景？

“SK海力士将持续优化设备和工艺，以最大程度提升第一代HKMG技术平台的竞争力。此外，随着客户对高速和低功耗需求的不断提高，我们必须持续研发能够最大限度提升DRAM性能的技术。基于此，我们正在致力于开发下一代HKMG技术平台。”

“就具体产品而言，LPDDR5系列的应用范围越来越广泛，不仅涵盖移动设备，还包括需要大量功耗的数据中心。这些超低功耗LPDDR解决方案降低了能耗，不仅有助于减少碳排放，同时也最大限度地实现了SK海力士所追求的ESG价值。”

在应用 HKMG工艺的过程中，您遇到了哪些挑战？SK海力士的 “打破常规 ”精神是如何帮助您克服这些障碍的？

“HKMG是一项极具挑战性的技术，需要充分的准备才能确保其成功应用。我们发现当时的预验证流程存在局限性，因此大幅增强了HKMG工艺的验证程序，并制定了一个于我们而言‘具有挑战性但可实现’的时间表和目标。这表明我们不断追求突破极限，力求达到新高度的决心。”

“合作也是项目成功的关键所在。当我们决定采用HKMG技术来克服移动端DRAM高速和低功耗方面存在的局限性问题后，整个公司为此积极组建了团队，并为技术开发提供了充足的资源支持。”

“我相信，强调HKMG工艺的重要性和价值、肯定对成功技术开发所做的贡献、并且奖励所取得的成就，将有助于激励成员们保持专注，更加坚定我们的长期发展目标。”

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