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CFET正式面世!GAA环绕闸极未应用先失业

2021-1-3 21:49

  【天极网DIY硬件频道】对于普通的用户来说,FinFET工艺是芯片产品中听得最多的名词。在FinFET工艺之前,用得最多的传统的晶体管主要是CMOS(互氧金属氧化物半导体),但随着工艺节点来到20nm,CMOS已经不在适合工艺需求。胡正明教授在1999年首先提出FinFET、2020年提出FD-SOI工艺,两者已经进入大规模量产阶段。

  在FinFET工艺之后,三星首先在2018年提出GAA(环绕闸极)结构,将会在5nm获更先进的工艺中应用。2020年12月,日本工业技术研究院(AIST)和中国台湾半导体研究中心(TSRI)代表的联合研究小组公布用于2nm世代的Si(硅)/ Ge(锗)/ Ge层压材料,并宣布已开发出一种异质互补场效应晶体管(hCFET)。

  由于微加工技术的进步,电场效应晶体管(FET)已实现高性能和低功耗。从英特尔22nm工艺使用FinFET工艺开始,FET已经被推进到三维栅极结构。更新一代的GAA(全方位门)结构也将可能在3nm产品中出现,取代FinFET工艺。此外,还有一种称为CFET结构的技术,可大幅减小面积、提高时钟频率。两家公司一直在研究和开发混合硅n型FET和锗p型FET的CMOS技术,该结构将n型FET和p型FET彼此堆叠的结构。TSRI一直致力于开发精细工艺技术,以在2nm世代之后实现3D沟道。 


FET结构路线图资料来源:AISTAIST

  日本工业技术研究院(AIST)和中国台湾半导体研究中心(TSRI)两家公司于2018年启动了一项国际联合研究项目,以利用各自的优势。该项目旨在开发可堆叠Si和Ge层的Si/Ge异质沟道集成平台,并且是一种低温异质材料键合技术(LT-HBT ),可在200°C或更低的温度下堆叠高质量的Si和Ge层。开发低温异质层粘接技术。由于所有的层压和刻蚀工艺都可以在低温下进行,因此其特点是对Si层和Ge层的破坏极小,可以实现高质量的Si / Ge异质沟道集成平台。

  首先,准备在主晶片上外延生长Ge的“主晶圆”和“供体晶圆”。SiO2绝缘膜沉积在主硅片的每一个上以活化表面。然后将其直接在200°C下粘合。顺序地去除施主硅片的Si衬底,BOX绝缘膜和Si层。最后使用东北大学开发的中性束刻蚀(NBE)将Ge均匀薄化。实现Si/Ge异质沟道层叠结构,这项技术可以大大简化hCFET的制造过程,也可以用于其他多层结构。 


使用低温异种材料键合技术的Si/Ge异质通道层压工艺过程来源:AIST

  该研究小组使用已开发的Si/Ge异质沟道堆叠平台创建hCFET。形成具有相同沟道图案的Si和Ge层,并且去除Si层和Ge层之间的绝缘层以形成纳米片状的层叠沟道结构。从SEM俯瞰图,可以确认Ge和Si通道是暴露的。 

  在该结构上沉积高k栅绝缘膜(Al2O3)和金属栅(TiN)以覆盖整个沟道,并且上下放置GAA结构“ 硅n型FET”和“ p型FET”。已经实现了堆叠的hCFET。从TEM截面图,发现上部的Ge层和下部的Si层以具有约50nm的沟道宽度的纳米片的形式层叠。这些结构也可以通过TEM EDX分析来确认。

  此外,我们成功地通过单个栅极同时操作了这些“n型FET”和“p型FET”。事实证明,通过LT-HBT堆叠不同的通道作为2nm世代晶体管技术极为有效。

  这项研究的结果是日本小组(AIST和东北大学),由高级CMOS技术研究小组的研究员Chang Wen Hsin,AIST的器件技术研究部门以及TSRI的Lee Yao-Jen Research代表。它是由研究员组成的中国台湾团队(交通大学,成功大学,南方国际大学,台湾大学,国立中山大学,爱子大学,工业技术学院,台湾日立高科技)的国际合作研究小组。国际合作研究小组,连同急于向包括海外的私人公司建立一个高精度的异构渠道集成平台,有望进行为期三年的技术转让。

  编辑点评:作为备受关注的半导体产业,对于制造工艺和晶体管构型一直在不断探索,从传统CMOS到FinFET工艺,再到GAA环绕闸极,不断升级的制造工艺同时改变着晶体管的形状。但无论如何,随着制造尺度来到埃米级别,晶体管构型的升级将变得越来越频繁,CFET工艺之后,还会有更先进的工艺不断出现。不过制造工艺已经不在像十年前那样呈现线性进步,特别越来越接近原子尺度的情况下,半导体似乎逐渐走到极限。量子计算可能在未来取代半导体,成为超算中心计算设备。

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