科研前線 | 如何抑制GAA寄生溝道？微電子所給出方案

作為GAA制造流程的一環(huán)，子鰭可能引發(fā)寄生溝道效應(yīng)等副作用，導(dǎo)致GAA晶體管的器件性能下降。為此，中科院微電子所先導(dǎo)工藝研發(fā)中心團隊開發(fā)了縮窄子鰭的工藝改進方案，可有效改善寄生溝道帶來的電特性衰減，有望應(yīng)用于亞3nm先進制造工藝節(jié)點。

研究背景

與傳統(tǒng)平面器件相比，3D FinFET器件具有更好的通道靜電控制能力和更高的電流驅(qū)動能力，業(yè)界已成功開發(fā)用于制造22 nm到5 nm節(jié)點的超大規(guī)模邏輯集成電路。然而，隨著技術(shù)節(jié)點縮小到3nm或更小，F(xiàn)inFET器件將面臨如靜電完整性、不可忽視的短通道效應(yīng)、器件性能下降和工藝變異性增大，為了滿足性能和溝道控制特性，垂直堆疊的GAA nanosheet晶體管（以下簡稱NS晶體管以及NS溝道）結(jié)構(gòu)一直被視為最有應(yīng)用前景的新型器件結(jié)構(gòu)。

通常情況下，NS溝道釋放*后會在子鰭*頂部形成一個寄生的段溝道平面FET或一個偏扁平的FinFET。因此，由子鰭引起的寄生溝道效應(yīng)將導(dǎo)致電特性的退化，這已成為一個不可避免的工藝難題挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對這一問題，中科院微電子所團隊提出了一種利用各向同性反應(yīng)離子蝕刻或原子層蝕刻實現(xiàn)子鰭寬度見效的新方案，該方案相關(guān)研究過程以“抑制寄生溝道的窄子鰭技術(shù)”為題發(fā)表于IEEE Journal of the Electron Devices Society”為題發(fā)表于IEEE Journal of the Electron Devices Society，第一作者為顧杰，共同通訊作者為微電子所殷華湘研究員與吳振華研究員。

*溝道釋放，溝道釋放是實現(xiàn)GAA器件高遷移率溝道導(dǎo)入集成的另外一個關(guān)鍵技術(shù)，需要高選擇比去除犧牲層并保留溝道層;溝道釋放主要分為干法刻蝕與濕法腐蝕工藝。

*子鰭，在柵極形成工藝環(huán)節(jié)前的Fin Formation階段所形成的結(jié)構(gòu)（見下圖）。

研究內(nèi)容

微電子所團隊提出了一種縮小子鰭寬度的新方案，該方案可在高ground plane摻雜濃度的NS晶體管中顯著抑制GIDL和寄生溝道效應(yīng)。此外，窄子鰭作為一個額外的溝道，可提高驅(qū)動電流和柵極可控性，特別是對于用于高性能計算應(yīng)用場景的相對低GP摻雜濃度的器件。

TCAD仿真結(jié)果顯示，該方案降低了70%的子溝道GIDL，提高了20%的開關(guān)電流比(1op/lot)，并改善了亞閾值斜率。

NS晶體管原理結(jié)構(gòu)圖

工藝參數(shù)表

Id/Vg仿真特性曲線

工藝流程步驟

工藝流程示意圖

不同子鰭伸出高度條件下，通態(tài)電流密度分布(a)

Id/Vg曲線(b)以及不同摻雜濃度下電流(c)

開關(guān)電流比及RC延遲測試曲線

前景展望

微電子所的窄子鰭技術(shù)為抑制GAA晶體管中的寄生溝道效應(yīng)提供了一種新的途徑，作為緩解3nm工藝節(jié)點的PCE、GIDL等效應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化方案，為尚未到來的GAA時代提供了一種預(yù)備解決方案，有望在未來新技術(shù)落地階段獲得應(yīng)用。

團隊介紹

殷華湘，中國科學(xué)院微電子研究所研究員，博士生導(dǎo)師，微電子所先導(dǎo)中心和院重點實驗室副主任。2003年博士畢業(yè)于中科院微電子所后就職于三星電子中央研究所，任綜合技術(shù)院任高級研究員。2010年加入中科院，主要研究方向為：高級納米CMOS器件、集成電路先進工藝技術(shù)、低維納米材料與器件、信息顯示功能器件、先進半導(dǎo)體輻射探測器等。

吳振華，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員。2011年于中科院半導(dǎo)體研究所獲理學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后至2016年曾于三星電子韓國總部半導(dǎo)體研發(fā)中心任半導(dǎo)體器件高級研發(fā)工程師,參與研發(fā)先進14nm、10nm節(jié)點邏輯芯片工藝。目前研究方向為FinFET/GAA器件、亞10納米CMOS架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)、半導(dǎo)體量子比特等領(lǐng)域。

論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9624781/