科研前線 | 探索5nm器件性能影響因素，走進ICRD應變硅技術成果

上海ICRD關于5nm FinFET工藝性能影響因素和基于應變硅工藝改進方案的研究成果發(fā)布于2020年中國國際半導體技術大會，研究探索了外延層Ge含量、摻雜以及鰭高等因素對性能的影響并找到了獲得最佳空穴遷移率的“甜蜜點”，有望助力FinFET工藝的優(yōu)化改進。

研究背景

在過去的幾十年里，從幾微米到現(xiàn)在的幾納米，CMOS集成電路制造工藝一直在不斷縮小。自22納米技術節(jié)點由英特爾公司首次實現(xiàn)FinFET結(jié)構(gòu)器件的量產(chǎn)，臺積電、三星相繼開發(fā)量產(chǎn)了16/14 nm FinFET工藝節(jié)點，并開發(fā)至如今的5nm工藝，成為集成電路先進工藝的領頭羊。

當工藝節(jié)點發(fā)展到亞5nm階段，由于關鍵尺寸、柵極長度縮小造成的短溝道效應，諸如彈道輸運、量子限制效應等物理效應的影響已經(jīng)不可忽視。為抑制短溝道效應影響以獲得更好的器件性能，硅晶絕緣（SOI）、應變硅*等工藝改進方案出現(xiàn)。

然而在晶體管特征尺寸縮小到納米級，對溝道施加應力的技術難度很高，在5nm節(jié)點，影響應力和遷移率的物理因素十分復雜，探尋出一個技術上可行、工藝上可靠的施加應力的方法，成為了應變硅技術發(fā)展的迫切任務。

上海集成電路研發(fā)中心（ICRD）研發(fā)團隊研究了pMOS器件在不同影響因素下的有效空穴遷移率，其成果以“The Factors that Inflence the Effective Mobility in 5 nm pMOS Finfet Design”為題發(fā)表于去年6月舉辦的2020年中國國際半導體技術大會（英文縮寫CSTIC），于年底公開其內(nèi)容，課題組成員包括尚恩明、羅鑫、丁宇、胡少堅、陳壽面、趙宇航，尚恩明為本文通訊作者。

*應變硅：即Strained silicon，通過增大MOS管柵極使溝道硅原子間距增大，減小電子通行所受到的阻礙，載流子得以更順利地在源極和漏極之間流動，器件整體發(fā)熱量和能耗都會降低，而運行速度則得以提升。

研究內(nèi)容

本項研究中，團隊重點研究了5nm節(jié)點的FinFET應力和有效遷移率的相關影響因子，結(jié)果表明在襯底晶向/溝道晶向為(100)/<110>器件擁有最佳的溝道應力和空穴遷移率；而漏源區(qū)外延層對于pMOS應力的形成具有重要影響，種子外延層的Ge含量與體外延中的磷摻雜對于提高空穴遷移率起到了重要作用，Ge含量最佳值在40%左右。此外，團隊還對鰭高的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)在50nm高度時器件可達到最佳的飽和空穴遷移率。

5nm FinFET的關鍵參數(shù)情況

滑動查看種子外延層Ge含量與應力和遷移率關系

外延層中Ge含量分布圖

摻雜度與電導率gd與有效遷移率μeff的關系圖

前景展望

在2020年，臺積電和三星的5nm FinFET工藝相繼量產(chǎn)，與此同時，基于7nm工藝的產(chǎn)品依然有著旺盛的生命力?？梢灶A見，在斥巨資研發(fā)新制程的同時，前代工藝因成本下降和良率穩(wěn)定的特點，也會持續(xù)散發(fā)生命力，而圍繞其展開的工藝改進和性能優(yōu)化也會持續(xù)進行。也是在這一年，中國大陸的集成電路產(chǎn)業(yè)遭遇了美國的強力圍剿，先進制程的研發(fā)進度也隨之放緩，但無論產(chǎn)業(yè)或研究領域，諸如本文所介紹的ICRD圍繞5nm工藝性能影響因素的研究項目，圍繞先進制程開發(fā)的仍在艱難中前行，這些成果也將在未來成為大陸集成電路產(chǎn)業(yè)進步的強大助力。

團隊介紹

上海集成電路研發(fā)中心（ICRD）成立于2002年，是國家支持組建、產(chǎn)學研合作的國家級集成電路研發(fā)中心。ICRD由中國集成電路相關企業(yè)集團和高校聯(lián)合投資組建而成，是一個獨立的面向全行業(yè)集成電路企業(yè)、大學及研究所開放的公共研發(fā)機構(gòu)。

ICRD掌握了多個技術代的工藝技術和知識產(chǎn)權；通過設立產(chǎn)業(yè)界共性技術研發(fā)項目，進行FinFET器件及工藝、5nm以下納米線晶體管等新器件和工藝技術的聯(lián)合研發(fā)；開展產(chǎn)學研合作，研發(fā)晶體管級3D堆疊、量子點傳感器等前沿技術和產(chǎn)品。與此同時，ICRD通過不斷完善設備設施條件，加強國際合作，建成了中國條件最好的集成電路人才實訓基地，并對全行業(yè)和高校開放。

論文原文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9282475