Inner spacer制造是GAA器件中的關(guān)鍵步驟之一,該環(huán)節(jié)與晶體管溝道應(yīng)力、電路寄生參數(shù)等影響器件性能的重要因素息息相關(guān)。華為比利時研發(fā)中心與imec聯(lián)合團(tuán)隊(duì)共同探索了inner spacer對工藝的影響,相關(guān)研究已發(fā)表于ESSDERC與ESSCIRC兩大歐洲集成電路學(xué)術(shù)會議。
研究背景
在CMOS工藝微縮進(jìn)程中,nanosheet溝道垂直堆疊結(jié)構(gòu)的GAA晶體管被認(rèn)為是FinFET結(jié)構(gòu)的有力繼任者。盡管新器件結(jié)構(gòu)能夠在柵極控制、驅(qū)動電流特性以及CPP*微縮帶來良好增益,但也帶來了諸多新的技術(shù)挑戰(zhàn),例如inner spacer*(以下簡稱ISPs)的制造就是其中非常關(guān)鍵的一步,ISPs對于降低晶體管寄生電容至關(guān)重要。此外,與ISPs關(guān)聯(lián)的Si/SiGe選擇性刻蝕的工藝要求以及缺少刻蝕阻擋層,造成的額外工藝變異性也不可忽視。
Imec與華為比利時研發(fā)中心聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)比較試驗(yàn),以了解和掌握ISPs對于設(shè)備性能的影響因素,研究成果以“Performance Trade-Off Scenarios for GAA Nanosheet FETs Considering Innerspacers and Epi-induced Stress: Understanding & Mitigating Process Risks”為題發(fā)表于第51屆歐洲固態(tài)器件會議(IEEE ESSDERC)和第47屆歐洲固態(tài)電路會議(IEEE ESSCIRC),第一作者為Amita Rawat,團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為比利時華為研發(fā)CEO劉長澤。
*CPP,contacted-poly-pitch,指晶體管的柵極觸點(diǎn)到相鄰晶體管柵極觸點(diǎn)間的距離,是制造工藝的關(guān)鍵參數(shù)之一。
*inner spacer,以下示意圖為例,inner spacer位于源級/漏極與柵極之間,用于降低GAA器件結(jié)構(gòu)中兩側(cè)的寄生電容,改善器件特性。
研究內(nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛的TCAD模擬實(shí)驗(yàn),包括基于電路性能的RO環(huán)形振蕩器測試,以及兩種不同情況下的自熱效應(yīng):一種是有ISPs但沒有應(yīng)力的情況,另一種是沒有ISPs但應(yīng)力存在;前者是制造過程中可能出現(xiàn)的真實(shí)存在,后者則為假象的對比場景。為了確保實(shí)驗(yàn)的完整全面,團(tuán)隊(duì)另外還基于同時具有ISPs和最大應(yīng)力的理想場景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
測試結(jié)果證明了同時擁有ISPs和應(yīng)力是nanosheet GAA-FET器件的理想情況,與之相對地,不良外延質(zhì)量造成的無溝道應(yīng)力的場景,則會嚴(yán)重影響工藝和性能。盡管ISPs對降低寄生電容很重要,但實(shí)驗(yàn)表明,溝道應(yīng)力的存在提供了更好的性能平衡,對于器件更有益。
研究團(tuán)隊(duì)還評估了ISPs在兩種測試環(huán)境下的介電常數(shù)和外延容積增益;自熱效應(yīng)的研究則表明了為何忽略ISPs能夠額外降低峰值溫度。
實(shí)驗(yàn)器件的主要參數(shù)
圖(a)有/無ISPs的器件結(jié)構(gòu)對比;圖(b)校準(zhǔn)設(shè)備摻雜
四種測試電路示意圖
有/無ISPs的器件結(jié)構(gòu)中,載流子散射對電子遷移率的影響
自熱效應(yīng)測試結(jié)果示意圖
前景展望
華為與imec聯(lián)合團(tuán)隊(duì)對于nanosheet GAA-FET的inner spacer的研究表明了對于新型器件的結(jié)構(gòu)調(diào)整可以進(jìn)一步提升器件在溝道應(yīng)力、散熱等方面的特性(盡管會增加額外寄生電容),進(jìn)而改善器件的電子遷移率和驅(qū)動電流等特性,有望助力性能更優(yōu)的GAA器件完全體早日實(shí)現(xiàn)。但同時也需要指出,早前imec高管采訪中曾表示與中國頂尖企業(yè)沒有任何敏感技術(shù)合作,不知這是否包含本項(xiàng)目或比利時華為,相關(guān)合作項(xiàng)目也在國際政治環(huán)境下蒙上一層陰霾。
團(tuán)隊(duì)介紹
華為比利時研發(fā)中心,位于比利時魯汶,專注于先進(jìn)集成電路工藝、先進(jìn)硅光工藝、5G射頻器件和通信技術(shù)應(yīng)用等主要研發(fā)方向。
Imec,全稱:Interuniversity Microelectronics Centre,即比利時微電子研究中心,是一家成立于?1984?年的科技研發(fā)中心,?總部設(shè)在比利時魯汶。imec?的戰(zhàn)略定位為納米電子和數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域全球領(lǐng)先的先導(dǎo)性重大創(chuàng)新中心,imec從?2004?年起參與了從45nm到5nm的芯片前沿技術(shù)的研發(fā)。
論文原文鏈接:
https://ieeexplore.ieee.org/document/9567879/
https://ieeexplore.ieee.org/document/9631815/