進軍2nm工藝 中科院研發(fā)世界首個自對準柵極的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管

目前全球最先進的半導體工藝已經(jīng)進入7nm，下一步還要進入5nm、3nm節(jié)點，制造難度越來越大，其中晶體管結(jié)構(gòu)的限制至關(guān)重要，未來的工藝需要新型晶體管。來自中科院的消息稱，中國科學家研發(fā)了一種新型垂直納米環(huán)柵晶體管，它被視為2nm及以下工藝的主要技術(shù)候選，意義重大。

從Intel首發(fā)22nm FinFET工藝之后，全球主要的半導體廠商在22/16/14nm節(jié)點開始啟用FinFET鰭式晶體管，一直用到現(xiàn)在的7nm，未來5nm、4nm等節(jié)點也會使用FinFET晶體管，但3nm及之后的節(jié)點就要變了，三星在去年率先宣布3nm節(jié)點改用GAA環(huán)繞柵極晶體管。

根據(jù)官方所說，基于全新的GAA晶體管結(jié)構(gòu)，三星通過使用納米片設備制造出了MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效應管），該技術(shù)可以顯著增強晶體管性能，主要取代FinFET晶體管技術(shù)。

此外，MBCFET技術(shù)還能兼容現(xiàn)有的FinFET制造工藝的技術(shù)及設備，從而加速工藝開發(fā)及生產(chǎn)。

前不久三星還公布了3nm工藝的具體指標，與現(xiàn)在的7nm工藝相比，3nm工藝可將核心面積減少45%，功耗降低50%，性能提升35%。

從上面的信息也可以看出GAA環(huán)繞柵極晶體管的重要意義，而中科院微電子所先導中心朱慧瓏研究員及其課題組日前突破的也是這一領(lǐng)域，官方表示他們從2016年起針對相關(guān)基礎(chǔ)器件和關(guān)鍵工藝開展了系統(tǒng)研究，提出并實現(xiàn)了世界上首個具有自對準柵極的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管（Vertical Sandwich Gate-All-Around FETs或VSAFETs），獲得多項中、美發(fā)明專利授權(quán)。

這一研究成果近日發(fā)表在國際微電子器件領(lǐng)域的頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2019.2954537）。

左上：STEM頂視圖，用原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法制作的直徑為10納米的納米線（左）和厚度為23納米的納米片（右）

右上：具有自對準高k金屬柵的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管(VSAFETs)的TEM 截面圖（左）及HKMG局部放大圖（右）

下： pVSAFETs器件的結(jié)構(gòu)和I-V特性：器件結(jié)構(gòu)示意圖（左），轉(zhuǎn)移特性曲線（中）和輸出特性曲線（右）

據(jù)介紹，朱慧瓏課題組系統(tǒng)地研發(fā)了一種原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法，結(jié)合多層外延生長技術(shù)將此方法用于鍺硅/硅超晶格疊層的選擇性刻蝕，從而精確地控制納米晶體管溝道尺寸和有效柵長；首次研發(fā)出了垂直納米環(huán)柵晶體管的自對準高k金屬柵后柵工藝；其集成工藝與主流先進CMOS制程兼容。課題組最終制造出了柵長60納米，納米片厚度20納米的p型VSAFET。原型器件的SS、DIBL和電流開關(guān)比（Ion/Ioff）分別為86mV/dec、40mV和1.8x105。