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:替代金属栅(RMG)

取代式金屬閘極(RMG)是什麼

Replacement Metal Gate (RMG)

取代式金屬閘極(RMG)是在源極・汲極活化退火之後才形成閘極的「Gate-Last(後閘極)」製程。先以多晶矽形成虛設閘極,完成源極・汲極處理後去除多晶矽,再填入 High-k/Metal Gate(HKMG)堆疊,是包含 FinFET・GAA 在內的先進邏輯製程的標準閘極形成方式。

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

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)。

重點整理

  • 定義:Gate-Last 製程 - 依形成虛設多晶矽→S/D 處理→去除多晶矽→填入 HKMG 的順序進行
  • 原理:在高溫退火後才形成 HKMG,從根本上避開功函數偏移(熱劣化)
  • 製程流程:① 形成虛設閘極 ② S/D 磊晶 ③ ILD-CMP ④ Gate Open ⑤ High-k ALD ⑥ WF Metal ALD ⑦ 填充金屬 ⑧ Gate CMP
  • 應用場景:45nm 以後的所有先進邏輯節點(FinFET/GAA)都採用 - 台積電・三星・英特爾的共同標準
  • GAA 的難點:奈米片之間(5~8nm)的均勻填充與 Gate-Cut 技術是良率的關鍵

取代式金屬閘極(RMG)的常見問題

什麼是 RMG(取代式金屬閘極)?
RMG(Replacement Metal Gate)是先以虛設閘極(多晶矽)製作暫時的閘極,在完成源極・汲極的形成與活化退火之後,再去除虛設閘極並填入 High-k/Metal Gate 的「Gate-Last」製程。由於在高溫製程之後才形成 HKMG,可避免金屬閘極的功函數偏移(熱劣化)。是目前先進邏輯(FinFET/GAA)的標準閘極形成方式。
RMG 與 Gate-First 有什麼不同?
Gate-First 是傳統的步驟順序(先形成閘極→之後才做 S/D 活化退火),超過 1000℃ 的退火有使金屬閘極功函數偏移的風險。RMG(Gate-Last)在 S/D 退火後才形成 HKMG,因此能避開熱劣化。雖然步驟變複雜、成本上升,但能精密控制 Vth,目前台積電・三星・英特爾全部採用 RMG。
請說明 RMG 的製程流程
RMG 的核心流程有 8 個步驟。① 形成虛設多晶矽+SiO2 閘極;② 源極・汲極的磊晶成長;③ 以 CVD 沉積層間介電層(ILD);④ CMP 平坦化(露出虛設閘極頂部);⑤ 選擇性去除多晶矽虛設閘極(Gate Open);⑥ 形成 SiON 界面層+High-k(HfO2)ALD;⑦ 功函數金屬(WF Metal)ALD 堆疊;⑧ 沉積低電阻填充金屬(W/Co/Ru)→Gate CMP 平坦化。
在 GAA 電晶體中 RMG 會有什麼改變?
GAA 必須將所有閘極堆疊層填入多片奈米片(3~4片堆疊)之間狹窄的間隙(5~8nm)。對 ALD 共形性的要求比 FinFET 更高,填充金屬(釕或鎢)的無孔洞填充很困難。此外還會加入將相鄰 NFET/PFET 電晶體的閘極切斷的「Gate-Cut」製程。GAA 的 RMG 製程複雜度是 FinFET 的 2~3 倍。
RMG 的主要設備廠商有哪些?
ALD 設備(High-k/Metal Gate 成膜):ASM International・應用材料・科林研發・東京威力科創(TEL)。虛設閘極去除(蝕刻):東京威力科創・科林研發。CMP(平坦化):應用材料・荏原製作所。閘極溝槽內檢測:科磊(光學式)・日立高新技術(電子束)。

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