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近日，韓國首爾大學團隊于IEEE TED上發(fā)表了針對基于三溝道GAAFET器件的Wrap-Around Contact結構改進的研究，其成果表明WAC結構對于降低寄生電阻和自熱效應，提升器件性能和可靠性方面確有成效，將助力先進工藝器件結構設計的改進。
研究背景
在過去幾十年的集成電路產業(yè)發(fā)展歷程中，為了實現更高的集成密度和更好的電氣特性，晶體管微縮技術持續(xù)穩(wěn)步迭代。隨著傳統(tǒng)的平面場效應管遭受嚴重短溝道效應影響，多方向柵極結構的FinFET和環(huán)繞柵的GAAFET器件結構被提出并應用于先進工藝節(jié)點。
盡管結構改進成功地抑制了短溝道效應的影響，但由于器件尺寸的不斷縮小，其他技術問題也紛沓而至，其中以自熱效應（SHE）和寄生效應尤為突出。
自熱效應的嚴重性在于它會降低器件電性能，并引起HCI熱載流子效應、柵介電壽命下降和BTI偏置溫度不穩(wěn)定性等可靠性問題。自熱效應愈發(fā)嚴重的原因之一是尺寸的縮小會使得聲子邊界散射增強。特別是在GAA結構中，由于溝道被被SiO2、HfO2等低導熱材料包圍，進一步加劇了自熱效應。在器件尺寸按技術路線縮小的同時，寄生電阻的影響也相應增大，并在源級-漏級接觸的臨界尺寸減小，接觸電阻Rc會逐漸在寄生電阻中占據主導。而WAC*包裹觸點被認為是一種有希望的降低寄生電阻的解決方案。
基于TCAD技術，首爾大學與釜慶大學聯(lián)合團隊研究了GAA MOSFET的電學熱血特性，其研究成果以“Investigation of Self-Heating Effects in Vertically Stacked GAA MOSFET With Wrap-Around Contact”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices三月刊，Seok Jung Kang為第一作者，Sangwan Kim為通訊作者。
*WAC，全稱wrap-around contact，相比傳統(tǒng)結構中頂部接觸結構（top contact，以下簡稱TC），WAC結構增大了與源級/漏極的接觸面積。
TC結構（左）與WAC結構（右）對比
研究內容
研究團隊采用TCAD技術廣泛地研究了帶有WAC的垂直堆疊GAA的電學和熱學特性。結果表明，由于降低了寄生電阻和源漏電阻，WAC結構器件相比與TC結構，其導通電流提升了74%，而熱阻降低了9.73%，改善了寄生效應和自熱效應對晶體管的影響。其主要研究內容包括：
· 基于TCAD進行了器件設計和物理建模；
· 比較了WAC結構與TC結構的電、熱特性，對WAC的電特性進行了分析；
· 從熱阻(Rh)的角度對WAC/TC兩種結構的自熱效應和散熱效率進行了分析。
圖(a)TC結構示意圖，圖(b)WAC結構示意圖
圖(c)WAC結構的xz方向截面
圖(d)WAC結構的yz方向截面
器件尺寸參數
器件熱學參數
TC（左）與WAC（右）結構的熱分布圖
TC與WAC結構的柵壓與電流曲線圖
前景展望
研究表明，WAC結構對于降低晶體管自熱效應與寄生電阻方面卓有成效，具有更好的電氣特性和熱特性，能增加器件可靠性、緩解壽命衰減，有望被引入先進節(jié)點的器件結構中，對于高性能計算和高能效應用等積熱問題日趨嚴重的產品領域可能是一劑良方。
團隊介紹
釜慶大學，全稱國立釜慶大學，1996年由1924年建校的釜山工業(yè)大學與1941年建校的釜山水產大學充足合并，是韓國BK21工程重點建設高校。
首爾大學，全稱國立首爾大學，是韓國一所綜合國立大學，全稱為國立首爾大學，是環(huán)太平洋大學聯(lián)盟、亞洲大學聯(lián)盟、東亞四大學論壇和東亞研究型大學協(xié)會成員，也是韓國頂級學府。
ISRC，全稱Inter-University Semiconductor Research Center，是首爾大學工學院下設的半導體研究中心，擁有生產線級的大型潔凈室和完整的半導體制造設備與實驗儀器。
論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9684028
