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。