揭秘3nm/2nm工藝的新一代晶體管結構

一些晶圓代工廠仍在基於下一代全能柵極晶體管開發新工藝，包括更先進的高遷移率版本，但是將這些技術投入生產將是困難且昂貴的。

英特爾、三星、臺積電和其他公司正在爲從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節點的新型全柵場效應晶體管（GAA FET）過渡奠定基礎，這種過渡將從明年或2023年開始。

GAA FET將被用於3nm以下，擁有更好的性能，更低的功耗和更低的漏電壓。雖然GAA FET晶體管被認爲是FinFET的演進，並且已經進行了多年研發，但任何新型晶體管或材料對於芯片行業來說都是巨大的工程。芯片製造商一直在儘可能長地推遲這一行動，但是爲了繼續微縮晶體管，需要GAA FET。

需要指出的是，雖然同爲納米片FET，但GAA架構有幾種類型。基本上，納米片FET的側面是FinFET，柵極包裹着它，能夠以較低的功率實現更高的性能。

“GAA技術對於晶體管的持續微縮至關重要。3nm GAA的關鍵特性是閾值電壓可以爲0.3V。與3nm FinFET相比，這能夠以更低的待機功耗實現更好的開關效果，” IBS首席執行官Handel Jones說。“ 3nm GAA的產品設計成本與3nm FinFET不會有顯著差異。但GAA的IP認證將是3nm FinFET成本的1.5倍。”

轉向任何新的晶體管技術都具有挑戰性，納米片FET的推出時間表因晶圓廠而異。例如，三星正在量產基於FinFET的7nm和5nm工藝，並計劃在2022到2023年間推出3nm的納米片。同時，臺積電將把FinFET擴展到3nm，同時將在2024/2025年遷移到2nm的納米片FET。英特爾和其他公司也在研究納米片。

納米片FET包含多個組件，包括一個溝道，該溝道允許電子流過晶體管。首款納米片FET採用傳統的基於硅的溝道材料，但下一代版本將可能包含高遷移率溝道材料，使電子能夠在溝道中更快地移動，提高器件的性能。

高遷移率溝道並不是新事物，已經在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來了集成方面的挑戰，供應商正在採取不同的方法解決：

在IEDM（國際電子元件會議）上，英特爾發表了一篇有關應變硅鍺（SiGe）溝道材料的納米片pMOS器件的論文。英特爾使用所謂的“溝道優先”流程開發該器件。

IBM正在使用不同的後溝道工藝開發類似的SiGe納米片。

其他溝道材料正在研發中。

芯片微縮的挑戰

隨着工藝的發展，有能力製造先進節點芯片的公司數量在不斷減少。其中一個關鍵的原因是新節點的成本卻越來越高，臺積電最先進的300mm晶圓廠耗資200億美元。

幾十年來，IC行業一直遵循摩爾定律，也就是每18至24個月將晶體管密度翻倍，以便在芯片上增加更多功能。但是，隨着新節點成本的增加，節奏已經放慢。最初是在20nm節點，當時平面晶體管的性能已經發揮到極致，需要用FinFET代替，隨着GAA FET的引入，摩爾定律可能會進一步放慢速度。

FinFET極大地幫助了22nm和16/14nm節點改善漏電流。“與平面晶體管相比，鰭片通過柵極在三側接觸，可以更好地控制鰭片中形成的溝道，”Lam Research大學項目負責人Nerissa Draeger說。

在7nm以下，靜態功耗再次成爲嚴重的問題，功耗和性能優勢也開始減少。過去，芯片製造商可以預期晶體管規格微縮爲70%，在相同功率下性能提高40%，面積減少50%。現在，性能的提升在15- 20%的範圍，就需要更復雜的流程，新材料和不一樣的製造設備。

爲了降低成本，芯片製造商已經開始部署比過去更加異構的新架構，並且他們對於在最新的工藝節點上製造的芯片變得越來越挑剔。並非所有芯片都需要FinFET，模擬、RF和其它器件只需要更成熟的工藝，並且仍然有很旺盛的需求。

但數字邏輯芯片仍在繼續演進，3nm及以下的晶體管結構仍在研發。最大的問題是，有多少公司將繼續爲不斷縮小的晶體管研發提供資金，以及如何將這些先進節點芯片與更成熟的工藝集成到同一封裝或系統中，以及最終效果如何。

UMC業務發展副總裁Walter Ng表示：“這實際上是晶圓經濟。在尖端節點，晶圓成本是天文數字，因此，很少有客戶和應用能夠負擔得起昂貴的成本。即使對於負擔得起成本的客戶，他們的某些晶圓尺寸已經超過掩模版最大尺寸，這顯然會帶來產量挑戰。”

成熟節點和先進節點的需求都很大。D2S首席執行官Aki Fujimura表示：“芯片行業出現了分歧，超級計算需求（包括深度學習和其他應用）需要3nm，2nm等先進製程。與此同時，物聯網和其他量大、低成本的應用將繼續使用成熟工藝。”

爲什麼使用納米片？

最前沿的工藝有幾個障礙需要克服。當鰭片寬度達到5nm（也就是3nm節點）時，FinFET也就接近其物理極限。FinFET的接觸間距（CPP）達到了約45nm的極限，金屬節距爲22nm。CPP是從一個晶體管的柵極觸點到相鄰晶體管柵極觸點間的距離。

一旦FinFET達到極限，芯片製造商將遷移到3nm / 2nm甚至更高的納米片FET。當然，FinFET仍然適用於16nm / 14nm至3nm的芯片，平面晶體管仍然是22nm及以上的主流技術。

全方位柵極不同於FinFET。Lam的Draeger解釋說：“全能門或GAA晶體管是一種經過改進的晶體管結構，其中柵極從各個側面接觸溝道並實現進一步微縮。早期的GAA設備將使用垂直堆疊的納米片。它們由單獨的水平板構成，四周均由門材料包圍。相對於FinFET，提供了改進的溝道控制。”

在納米片FET中，每個小片都構成一個溝道。第一代納米片FET的pFET和nFET器件都將是硅基溝道材料。第二代納米片很可能將使用高遷移率的材料用於pFET，而nFET將繼續使用硅。

納米片FET由兩片或更多片組成。最近，Letti展示了具有7片的納米FET。Leti的高級集成工程師Sylvain Barraud在論文中說，7片的GAA與通常的2級堆疊納米板GAA晶體管相比，具有3倍的性能改進。

從表面上看，3nm FinFET和納米片相比的微縮優勢似乎很小。最初，納米片FET可能具有44nm CPP，柵極長度爲12nm。

但是，納米片相比FinFET具有許多優勢。使用FinFET，器件的寬度是確定的。但是，使用納米片，IC供應商有能力改變晶體管中片的寬度。例如，具有更寬的片的納米片提供更高的驅動電流和性能。窄的納米片具有較小的驅動電流，佔用的面積也較小。

Imec CMOS技術高級副總裁Sri Samavedam說：“ GAA架構進一步改善了縮小柵極長度的短溝道控制，而堆疊的納米片則提高了單位面積的驅動強度。”

除了技術優勢外，代工廠也在開發納米片FET，這讓客戶選擇面臨困難。

按照現在的情況，三星計劃在2022/2023年間推出全球首個3nm的納米片。“風險試產有50%的概率在2022年第四季度。大批量生產的時間有60%的概率在2023年Q2至Q3。” IBS的瓊斯說。

使用新晶體管會帶來一些成本和上市時間風險。考慮到這一點，客戶還有其他選擇。例如，臺積電計劃將FinFET擴展到3nm，然後再使用納米片。

瓊斯說：“三星顯然是3nm GAA的領先者，但臺積電也在開發2024至2025年投產的的2nm GAA。TSMC有出色的營銷技巧，吸引了許多大型客戶使用其3nm FinFET技術。”

無論如何，開發5nm / 3nm及更先進製程芯片的成本是天文數字。因此，客戶正在尋找替代方案，例如先進封裝。

“隨着芯片尺寸的縮小，越來越難以在新節點上使用更小的晶體管，重點已轉移，比如先進封裝可以獲得更低的功耗，更高速度。”CyberOptics總裁兼首席執行官Subodh Kulkarni。

納米片的製造

未來，領先的IC供應商將遷移到諸如納米片之類的GAA架構，這將面臨諸多挑戰。

“就像從平面到FinFET的過渡一樣，從FinFET到GAA的過渡也將是艱難的。” Lam Research計算產品副總裁David Fried說。“轉向FinFET時，最大的挑戰是優化垂直側壁上的器件，因此出現了許多表面處理和沉積挑戰。現在，使用GAA必須在結構底層優化設備。表面處理和沉會變得更具挑戰性。”

蝕刻，一種去除晶體管結構中材料的工藝，如今也更具有挑戰性。Fried說：“使用平面結構時，通常很清楚何時需要各向同性（共形）的過程而不是各向異性（定向）的過程。使用FinFET時變得有些棘手。使用GAA時，這個問題變得非常棘手。一些過程在某些地方需要各向同性，例如在納米線/片材下方進行蝕刻以及各向異性，這個過程極具挑戰。”

圖2：堆疊納米片FET的工藝流程。資料來源：Leti

在工藝流程中，納米片FET開始於在基板上形成超晶格結構。外延工具在襯底上沉積交替的SiGe和硅層。至少堆疊三層SiGe和三層硅組成。

下一步是在超晶格結構中製造微小的垂直鰭片。每個納米片彼此分開，並且在它們之間留有空間。在晶圓廠流程中，使用極紫外（EUV）光刻技術對鰭片進行構圖，然後進行蝕刻工藝。

Onto Innovation戰略產品營銷高級總監Scott Hoover表示：“ GAA晶體管的性能僅好於其最弱的溝道，因此需要單獨的納米片尺寸控制度量。通過超晶格形成鰭需要對厚度，成分和硅片CD進行單獨的層控制。”

然後是更困難的步驟之一——內部間隔物的形成。首先，使用橫向蝕刻工藝使超晶格結構中的SiGe層的外部凹陷。這樣會產生小空間，並充滿電介質材料。

TEL的技術人員羅伯特·克拉克（Robert Clark）表示：“由於不能停止蝕刻，控制內部間隔物凹槽蝕刻的工藝變化非常困難。理想情況下，只想在金屬的外延層穿過側壁間隔物的地方凹進去，然後用電介質內部間隔層替換該外延層。這是非常關鍵的5nm凹陷蝕刻，因爲這是非線性且無法停止，難度相當於無網走鋼絲的過程。”

還有其他挑戰。“內部間隔模塊對於定義最終晶體管功能至關重要，對該模塊的控制對於最大程度地減少晶體管可變性至關重要。內部隔離模塊可控制有效柵極長度，並將柵極與源極/漏極epi隔離開。”KLA工藝控制解決方案總監Andrew Cross說道，“在該模塊中，SiGe會凹進去，然後內部隔離層會沉積並凹陷。在內部隔離物形成的每個步驟中，精確控制凹口和最終隔離物凹槽的形狀和CD對確保晶體管性能至關重要。而且，需要控制堆棧中每個單獨的溝道。”

接下來，形成源極/漏極，然後是溝道。這需要使用蝕刻工藝去除超晶格結構中的SiGe層，剩下的是構成溝道的硅基層或片。

“此步驟是GAA結構彼此分離，這可能導致具有挑戰性的缺陷，例如納米片之間的殘留物，納米片的損壞或與納米片本身相鄰的源/漏極的選擇性損壞。”Cross說。

挑戰不止如此。Onto's Hoover說：“形成溝道需要對板高、拐角腐蝕和溝道彎曲進行單獨控制。”

高k /金屬柵材料沉積在結構中，最後形成銅互連，從而形成納米片FET。“其他可能改變的模塊是設備的底部隔離和用於容納納米片的功能性金屬/層，但是這些模塊主要依賴於行業中已知/開發的工藝。

當然，即便不是全新的模塊，實現也變得越來越困難。

高遷移率器件

第一代納米片FET將是基於硅的溝道。這些納米片理論上優於FinFET，但並非總是如此。

“從FinFET到納米片，我們已經觀察到電子遷移率（對於nFET）有顯著的提高。問題將是pFET空穴遷移率下降。這就是我們需要解決的問題，” IBM設備與單元流程研發經理Nicolas Loubet在演講中說。

換句話說，芯片製造商需要提高納米片中的pFET性能。因此，供應商正在開發有改進的pFET第二代納米片FET。第二代納米片材將繼續提供基於硅的溝道用於nFET，因爲它們能夠提供足夠的性能。

爲了提高pFET，芯片製造商正在研究高遷移率溝道材料。更具優勢的材料是SiGe，而III-V族材料，鍺和其他材料也正在研發中。

英特爾設備工程師Ashish Agrawal在論文中說：“由於其優異的空穴遷移率，以及考慮到批量生產的成熟工藝，Strained SiGe最近成爲有希望的pFET溝道來替代硅。”

爲了加入這些材料，芯片製造商在晶圓廠中實施了所謂的應變工程工藝。應變是一種施加到硅上以改善電子遷移率的應力。

應變工程工藝並不新鮮，多年來，芯片製造商一直在溝道中使用SiGe合金應力以提高載流子遷移率。IBM高級研究員Shogo Mochizuki表示：“應變工程已成爲CMOS技術的關鍵技術之一。從90nm節點開始，源極-漏極外延生長會在溝道中應變，有助於電子遷移。而且，在FinFET中仍然被使用。”

因此，芯片製造商自然會在下一代GAA晶體管中引入應變SiGe溝道材料，但有一些新的挑戰。

“我們建議用溝道SiGe代替溝道硅，這可以幫助增加移動性。此外，這項創新技術還幫助超低閾值器件獲得了卓越的可靠性，這是源漏外延基本應變技術無法提供的。” Mochizuki說。“使用新型溝道材料的納米片所面臨的最大挑戰是確保材料的均勻性和結構完整性，以及確保新型溝道材料與工藝兼容。”

最重要的是，有幾種方法可以開發SiGe pFET溝道，包括先形成溝道後形成溝道。

在IEDM上，英特爾發表了一篇關於在應變鬆弛緩衝器（SRB）上的SiGe納米片pMOS器件的論文。納米片溝道基於壓縮應變的SiGe和Si0.4Ge0.6的混合物。pMOS器件由5nm的片厚和25nm長的柵極組成。

溝道形成發生在常規納米片工藝的早期階段。從許多方面來說，這是SiGe溝道優先處理。

英特爾的工藝始於300mm基板，在基板上生長基於SiGe的SRB層。然後，在SRB層上生長壓縮Si0.4Ge0.6和拉伸硅的交替層。

這將創建一個超晶格結構，該結構構成pFET的SiGe溝道的基礎。英特爾公司的Agrawal說：“在這項工作中，我們展示了一個埋入式Si0.7Ge0.3 SRB整體應力源，可在Si0.4Ge0.6 pFET納米片中引起壓縮應變，從而增強了空穴傳輸。”

SRB的另一個術語是虛擬襯底。傳統上，硅襯底決定了沉積或生長在其頂部的所有外延層的晶格常數。

溝道和源極/漏極中應變的性質取決於該層相對於硅襯底之間的晶格常數的相對差異。Agrawal說，“對於SRB或虛擬襯底，我們通過在硅襯底頂部生長鬆弛的Si0.7Ge0.3緩衝層來改變襯底本身的晶格常數。沉積在該緩衝層頂部的所有後續層將相對於Si0.7Ge0.3應變。通過改變鬆弛Si0.7形式的襯底晶格常數Ge0.3緩衝液，我們可以實現應變納米片CMOS。”

其他公司則採取不同的方法。例如，在IEDM上，IBM發表了一篇用後形成溝道工藝在帶有應變SiGe溝道的納米片pFET的論文。

使用這種方法，IBM的pFET納米片峰值空穴遷移率提高了100%，相應的溝道電阻降低了40%，同時將次淋姐電壓值斜率保持在70mV / dec以下。

圖3：沿柵極柱M1外延生長4 nm厚的Si0.65Ge0.35的堆疊SiGe NSs溝道的截面STEM圖像和EDX元素圖。Wsheet ＝ 40nm。資料來源：IBM

IBM在流程的後半部分而不是在一開始就形成SiGe溝道。“我們意識到，在此過程的早期就開始進行SiGe生長外延對應變是無效的。這也給製造過程帶來了複雜性和成本。” IBM的Mochizuki說。“通過我們的新技術，SiGe層中的應變得以保留。發生這種情況的原因是此過程基於SiGe外延後向方案，對於提高性能至關重要。

更具體地說，IBM在溝道釋放過程之後開發SiGe溝道。溝道釋放後，水平和垂直修整硅納米片。然後，在修整後的硅納米片周圍選擇性包裹一個SiGe層，稱爲SiGe覆層。 Mochizuki說，“最終的結構是帶有薄硅納米片芯的SiGe覆層。通過將載流子限制在SiGe覆蓋層內，可以在應變的SiGe溝道層中提高載流子遷移率。”

結論

GAA FET面臨幾個製造挑戰，而且成本非常高昂，以至於尚不清楚有多少芯片製造商能夠負擔得起。幸運的是，它不是唯一選擇。先進的封裝和新的架構肯定會在當前和未來的設備中發揮更大的作用。

沒有一種技術可以滿足所有需求。因此，至少就目前而言，這些都是選擇。

雷鋒網編譯，原文鏈接：https://semiengineering.com/new-transistor-structures-at-3nm-2nm/雷鋒網雷鋒網