RMG(Replacement Metal Gate:取代式金屬閘極)是在源極・汲極活化退火之後才進行閘極形成的「Gate-Last(後閘極)」製程。首先以多晶矽形成虛設閘極並完成源極・汲極處理,之後以濕式/乾式蝕刻去除多晶矽形成溝槽,再於其中填入 High-k/Metal Gate(HKMG)堆疊。是目前包含 FinFET・GAA 在內的先進邏輯製程的標準閘極形成方式。
採用 RMG 的主要理由,是避開 High-k/Metal Gate 的「熱穩定性」問題。Gate-First 方式在閘極形成後會進行超過 1000℃ 的源極/汲極活化退火,使金屬閘極的功函數偏移,造成電晶體臨界電壓偏離設計值的問題。RMG 在退火之後才形成 High-k/Metal Gate,因此能從根本上避開此熱劣化問題。
RMG 的製程流程如下:① 形成虛設閘極(多晶矽+SiO₂)→② 源極/汲極磊晶成長→③ 層間介電層(ILD)沉積+CMP 平坦化→④ 選擇性蝕刻去除多晶矽虛設閘極(Gate Open)→⑤ 形成極薄 SiON 界面層→⑥ High-k(HfO₂)的 ALD 成膜→⑦ 功函數金屬(WF Metal)的 ALD→⑧ 填充低電阻金屬(W/Co/Ru)→⑨ Gate CMP 平坦化。其中 ④~⑨ 是 RMG 的核心製程。
從 FinFET 轉向 GAA,RMG 的難度大幅提高。在 GAA 奈米片中,必須將閘極堆疊均勻填入多片奈米片之間的間隙(約 5~7nm),讓 HfO₂・WF Metal 到達最底層奈米片所需的 ALD 共形性左右著良率。此外 GAA 還需要結合內間隔物(Inner Spacer)的新型閘極圖案化(Gate-Cut)技術,要求 CMP 與乾式蝕刻的精密控制。
RMG 製程的主要設備為 ALD 設備(閘極堆疊成膜:ASM International・應用材料・科林研發)、濕式蝕刻/乾式蝕刻設備(虛設閘極去除:東京威力科創・科林研發)、CMP 設備(與科磊檢測搭配,東京精密・應用材料)。RMG 的良率管理不可缺少閘極溝槽內的殘留物檢測(科磊・日立高新技術的電子束檢測)與膜厚監控(橢圓偏光儀)。