最後更新:2026年10月8日薄膜沉積(CVD / ALD / PVD)閘極堆疊(High-k/金屬閘極)中國大陸:等效氧化层厚度(EOT)

等效氧化層厚度(EOT)是什麼

Equivalent Oxide Thickness (EOT)

等效氧化層厚度(EOT)是將閘極絕緣膜的電性厚度換算成 SiO₂ 來表示的指標。物理膜厚相同時,相對介電常數(k 值)越高,EOT 就越小,是在最大化 MOSFET 閘極電容的同時抑制漏電流的核心設計參數。

目錄6 項
  1. 定義與原理
  2. 重點整理
  3. 常見問題
  4. 相關企業
  5. 相關用語
  6. 比較文章

定義與原理

EOT(Equivalent Oxide Thickness:等效氧化層厚度)是將閘極絕緣膜的電性厚度換算成 SiO₂ 來表示的指標。計算式為 EOT = t_high-k × (ε_SiO₂ / ε_high-k),物理膜厚相同時,相對介電常數(k 值)越高,EOT 就越小。作為在最大化 MOSFET 閘極電容(Cox = ε₀ε_SiO₂/EOT)的同時抑制漏電流的核心指標,是閘極堆疊設計中心的設計參數。

將 SiO₂(k≈3.9)減薄到 1nm 以下時,穿隧漏電流會急遽增加。若使用 HfO₂(k≈22),要達成 EOT=1nm 所需的物理膜厚,SiO₂ 為 1nm,HfO₂ 則約 5.6nm(=1nm × 22/3.9)即可實現。這份物理上的餘裕使漏電流得以被抑制好幾個數量級。不過實際的 EOT 不只是 HfO₂ 本身,還要加上在與 Si 基板界面形成的極薄 SiON 界面層(~1nm)的 EOT,因此界面層的管理是 EOT 最小化的關鍵。

先進邏輯節點的 EOT 趨勢為:45nm 世代約 1.0nm、28nm 世代約 0.8nm、10nm/7nm 約 0.6nm,3nm/2nm 世代則要求 0.5nm 以下。要將 EOT 降到 0.5nm 以下,必須兼顧界面層厚度的最小化(0.3~0.5nm 以下)與高 k 值 HfO₂ 的適當成膜,ALD(原子層沉積)的精度直接左右 EOT 值。此外,控制閘極堆疊退火後 HfO₂ 結晶化進展而使 EOT 改變的現象(EOT rollback)也很重要。

EOT 的量測與評估使用 C-V(電容-電壓)量測、橢圓偏光術、X 光反射率(XRR)、TEM(穿透式電子顯微鏡)截面觀察。特別是 C-V 量測可在晶圓層級以非破壞方式定量評估 EOT,是實用的手法。不過由於需要 MOS 電容結構,實際元件的閘極堆疊評估會同時進行 TEM-EDX 或 XPS(X 光光電子能譜)的組成・膜厚分析。

EOT 的降低是與半導體設備・材料市場直接相關的驅動力。為實現 EOT 0.5nm 以下的界面層控制技術(電漿氮化・熱氮化・UV 氮化)、高 k 值替代材料(添加 La₂O₃ 的 HfO₂ 等)的開發,正在各元件廠商・材料廠商中進行。ALD 設備(ASM International・應用材料・科林研發)與成膜前驅物(默克・Entegris)是主要的受惠供應商。

重點整理

  • 定義:將閘極絕緣膜的電性厚度換算成 SiO2 表示的指標(EOT = t x ε_SiO2/ε_材料)
  • 原理:High-k 材料(HfO2:k≈22)能以 SiO2 約 6 倍的物理膜厚實現相同 EOT→大幅抑制漏電流
  • 應用場景:MOSFET 閘極堆疊設計・ALD 成膜配方最佳化・先進節點良率管理的核心指標
  • 難點:實際 EOT 是 HfO2 本身+SiON 界面層(~0.3~0.8nm)的合計,因此界面層管理不可或缺
  • 趨勢:45nm→1.0nm / 28nm→0.8nm / 10nm→0.6nm / 3nm/2nm→0.5nm 以下

等效氧化層厚度(EOT)的常見問題

什麼是 EOT(等效氧化層厚度)?
EOT(Equivalent Oxide Thickness)是將閘極絕緣膜的電性厚度換算成 SiO2 表示的指標,表示相同的靜電容量(閘極電容)相當於多薄的 SiO2。若使用 High-k 材料(例:HfO2,k≈22),即使物理膜厚為 SiO2(k≈3.9)的約 6 倍,也能達成相同的 EOT,可大幅降低漏電流。
EOT 的計算式是什麼?
以 EOT = t_材料 x (ε_SiO2 / ε_材料) 計算。例如將 HfO2(ε≈22)成膜 5nm 時,EOT 為 5 x (3.9/22) ≈ 0.89nm。實際的閘極堆疊除了 HfO2 的 EOT 之外,還要加上 SiON 界面層(~0.5nm)的 EOT,因此要達成設計 EOT,必須盡量把界面層做薄。
EOT 小有什麼好處?
EOT 越小,閘極電容(Cox = ε0ε_SiO2/EOT)越大,MOSFET 的電流驅動能力(Ion)與次臨界擺幅(SS)都會改善。也就是說電晶體能以更高速・更低電壓運作。在先進邏輯中,EOT 的縮小是提升電晶體性能的直接驅動力。
EOT 的量測方法有哪些?
主要量測手法有 1)C-V(電容-電壓)量測:以 MOS 電容結構非破壞地定量評估 EOT;2)橢圓偏光術:以光學方式量測膜厚(科磊・東京精密);3)XRR(X 光反射率):高精度量測含界面層的堆疊膜厚;4)TEM 截面觀察:直接將截面可視化(日立高新技術),主要使用這 4 種。量產線上以 C-V 與橢圓偏光術進行線上管理。
如何實現 EOT 0.5nm 以下?
EOT 最小化需要 2 種做法。1)界面層(SiON)的薄化:以熱氧化・電漿氮化將 SiON 厚度減到 0.3~0.4nm(但太薄會使界面缺陷 Dit 增加)。2)High-k 層的高 k 化:添加 La2O3 的 HfO2(k 值提高到 25~27)以及原子層精度的 ALD 配方最佳化。這些都以 ALD(ASM International・應用材料・科林研發)實施。

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