中科院微電子所在新型納米環(huán)柵CMOS工藝與器件技術(shù)方面獲進(jìn)展

發(fā)布：cyqdesign 2023-10-23 16:04 閱讀：369

隨著集成電路制造技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，堆疊納米片環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Stacked Nanosheets GAA FET）在3納米以下節(jié)點(diǎn)將替代傳統(tǒng)鰭型晶體管（FinFET），進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，面對(duì)大規(guī)模制造的需求，GAA晶體管技術(shù)需突破N型與P型器件工作電流（Ion）嚴(yán)重失配和閾值電壓（Vth）調(diào)控困難等挑戰(zhàn)。這對(duì)納米片溝道材料和高κ金屬柵材料提出了更多的技術(shù)創(chuàng)新要求。因此，針對(duì)GAA晶體管進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，已成為未來(lái)邏輯器件工藝研究的重要方向。

近日，中科院微電子研究所先導(dǎo)中心研究員殷華湘團(tuán)隊(duì)基于主流GAA晶體管的制造工藝，在體硅襯底上通過(guò)調(diào)整SiGe/Si疊層外延中底部SiGe層的Ge含量，并在后柵溝道中采用納米級(jí)高選擇比SiGe層刻蝕技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備出溝道結(jié)構(gòu)類(lèi)似魚(yú)骨狀的GAA器件（FishboneFET）。由于在傳統(tǒng)堆疊Si納米片間引入額外的應(yīng)變SiGe nano-fin結(jié)構(gòu)，在相同的平面投影面積下大幅增加了GAA器件中的溝道導(dǎo)電面積并提升了P型器件的驅(qū)動(dòng)性能。相比同類(lèi)型的樹(shù)型（Tree-like）GAA器件（TreeFET），該研究設(shè)計(jì)的FishboneFET進(jìn)一步改善了N型與P型器件的電學(xué)性能失配問(wèn)題，并利用單一功函數(shù)金屬柵材料實(shí)現(xiàn)了面向CMOS器件的閾值調(diào)控，解決了FishboneFET晶體管在CMOS集成中的關(guān)鍵問(wèn)題�；谏鲜鰟�(chuàng)新技術(shù)，科研團(tuán)隊(duì)研制出兼容主流GAA器件工藝的CMOS FishboneFET和TreeFET器件，獲得高的N/PFET器件電流開(kāi)關(guān)比，在單一功函數(shù)金屬柵下獲得更為平衡的N型與P型GAA器件驅(qū)動(dòng)性能匹配。研究發(fā)現(xiàn)，N型TreeFET和FishboneFET在抑制短溝道器件的漏致勢(shì)壘降低（DIBL）效應(yīng)上更具優(yōu)勢(shì)，且TreeFET較FishboneFET具有更低的DIBL效應(yīng)�？蒲袌F(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)變SiGe nano-fin中的價(jià)帶補(bǔ)償理論，解釋了新結(jié)構(gòu)中的特殊電學(xué)效應(yīng)，為新型GAA晶體管導(dǎo)入高性能CMOS集成電路應(yīng)用建立了關(guān)鍵技術(shù)路徑。

（a）新型FishboneFET與TreeFET結(jié)構(gòu)的TEM結(jié)果；（b）堆疊SiGe/Si層中SiGe材料雙端刻蝕深度隨Ge含量變化趨勢(shì)；（c）100nm柵長(zhǎng)器件的Ids-Vgs特性@Vdsat=±0.9V；（d）器件的DIBL效應(yīng)隨柵長(zhǎng)變化關(guān)系；（e）Si NS和應(yīng)變SiGe nano-fin的能帶示意圖。

近日，相關(guān)研究成果以Investigation of Fabricated CMOS FishboneFETs and TreeFETs With Strained SiGe Nano-Fins on Bulk-Si Substrate為題，發(fā)表在《電氣和電子工程師協(xié)會(huì)電子器件快報(bào)》（IEEE Electron Device Letters）上，并被選為主編重點(diǎn)推薦和“亮點(diǎn)文章”（Editors' Picks）。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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