隨著集成電路制造技術(shù)持續(xù)演進，堆疊納米片環(huán)柵場效應(yīng)晶體管(Stacked Nanosheets GAA FET)在3納米以下節(jié)點將替代傳統(tǒng)鰭型晶體管(FinFET)，進一步推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，面對大規(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)嚴重失配和閾值電壓(Vth)調(diào)控困難等挑戰(zhàn)。這對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GAA晶體管進行器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，已成為未來邏輯器件工藝研究的重要方向。
近日，中國科學(xué)院微電子研究所先導(dǎo)中心研究員殷華湘團隊基于主流GAA晶體管的制造工藝，在體硅襯底上通過調(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高選擇比SiGe層刻蝕技術(shù)，設(shè)計并制備出溝道結(jié)構(gòu)類似魚骨狀的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)動性能。相比同類型的樹型(Tree-like)GAA器件(TreeFET)，該研究設(shè)計的FishboneFET進一步改善了N型與P型器件的電學(xué)性能失配問題，并利用單一功函數(shù)金屬柵材料實現(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)鍵問題。
基于上述創(chuàng)新技術(shù)，科研團隊研制出兼容主流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壘降低(DIBL)效應(yīng)上更具優(yōu)勢，且TreeFET較FishboneFET具有更低的DIBL效應(yīng)。科研團隊提出了應(yīng)變SiGe nano-fin中的價帶補償理論，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。
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)會電子器件快報》(IEEE Electron Device Letters)上，并被選為主編重點推薦和“亮點文章”(Editors' Picks)。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(A類)和國家自然科學(xué)基金委員會等的支持。
(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；(c)100nm柵長器件的Ids-Vgs特性@Vdsat=±0.9V；(d)器件的DIBL效應(yīng)隨柵長變化關(guān)系；(e)Si NS和應(yīng)變SiGe nano-fin的能帶示意圖。
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