新型垂直納米環(huán)柵晶體管，或是2nm及以下工藝的備選

目前全球最先進的半導(dǎo)體工藝已經(jīng)進入 7nm，下一步還要進入 5nm、3nm 節(jié)點，制造難度越來越大，其中晶體管結(jié)構(gòu)的限制至關(guān)重要，未來的工藝需要新型晶體管。來自中科院的消息稱，中國科學(xué)家研發(fā)了一種新型垂直納米環(huán)柵晶體管，它被視為 2nm 及以下工藝的主要技術(shù)候選，意義重大。

從 Intel 首發(fā) 22nm FinFET 工藝之后，全球主要的半導(dǎo)體廠商在 22/16/14nm 節(jié)點開始啟用 FinFET 鰭式晶體管，一直用到現(xiàn)在的 7nm，未來 5nm、4nm 等節(jié)點也會使用 FinFET 晶體管，但 3nm 及之后的節(jié)點就要變了，三星在去年率先宣布 3nm 節(jié)點改用 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。

根據(jù)官方所說，基于全新的 GAA 晶體管結(jié)構(gòu)，三星通過使用納米片設(shè)備制造出了 MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效應(yīng)管），該技術(shù)可以顯著增強晶體管性能，主要取代 FinFET 晶體管技術(shù)。

此外，MBCFET 技術(shù)還能兼容現(xiàn)有的 FinFET 制造工藝的技術(shù)及設(shè)備，從而加速工藝開發(fā)及生產(chǎn)。

前不久三星還公布了 3nm 工藝的具體指標(biāo)，與現(xiàn)在的 7nm 工藝相比，3nm 工藝可將核心面積減少 45%，功耗降低 50%，性能提升 35%。

從上面的信息也可以看出 GAA 環(huán)繞柵極晶體管的重要意義，而中科院微電子所先導(dǎo)中心朱慧瓏研究員及其課題組日前突破的也是這一領(lǐng)域，官方表示他們從 2016 年起針對相關(guān)基礎(chǔ)器件和關(guān)鍵工藝開展了系統(tǒng)研究，提出并實現(xiàn)了世界上首個具有自對準(zhǔn)柵極的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管（Vertical Sandwich Gate-All-Around FETs 或 VSAFETs），獲得多項中、美發(fā)明專利授權(quán)。

這一研究成果近日發(fā)表在國際微電子器件領(lǐng)域的頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2019.2954537）。

左上：STEM 頂視圖，用原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法制作的直徑為 10 納米的納米線（左）和厚度為 23 納米的納米片（右）

右上：具有自對準(zhǔn)高k金屬柵的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管(VSAFETs)的 TEM 截面圖（左）及 HKMG 局部放大圖（右）

下： pVSAFETs 器件的結(jié)構(gòu)和I-V 特性：器件結(jié)構(gòu)示意圖（左），轉(zhuǎn)移特性曲線（中）和輸出特性曲線（右）

據(jù)介紹，朱慧瓏課題組系統(tǒng)地研發(fā)了一種原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法，結(jié)合多層外延生長技術(shù)將此方法用于鍺硅/硅超晶格疊層的選擇性刻蝕，從而精確地控制納米晶體管溝道尺寸和有效柵長；首次研發(fā)出了垂直納米環(huán)柵晶體管的自對準(zhǔn)高k金屬柵后柵工藝；其集成工藝與主流先進 CMOS 制程兼容。課題組最終制造出了柵長 60 納米，納米片厚度 20 納米的p型 VSAFET。原型器件的 SS、DIBL 和電流開關(guān)比（Ion/Ioff）分別為 86mV/dec、40mV 和 1.8x105。