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GAA FET將取代FinFET，但過(guò)渡的過(guò)程將是困難且昂貴的。

作者 | 包永剛

一些晶圓代工廠仍在基于下一代全能柵極晶體管開(kāi)發(fā)新工藝，包括更先進(jìn)的高遷移率版本，但是將這些技術(shù)投入生產(chǎn)將是困難且昂貴的。

英特爾、三星、臺(tái)積電和其他公司正在為從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節(jié)點(diǎn)的新型全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAA FET）過(guò)渡奠定基礎(chǔ)，這種過(guò)渡將從明年或2023年開(kāi)始。

GAA FET將被用于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(rèn)為是FinFET的演進(jìn)，并且已經(jīng)進(jìn)行了多年研發(fā)，但任何新型晶體管或材料對(duì)于芯片行業(yè)來(lái)說(shuō)都是巨大的工程。芯片制造商一直在盡可能長(zhǎng)地推遲這一行動(dòng)，但是為了繼續(xù)微縮晶體管，需要GAA FET。

需要指出的是，雖然同為納米片F(xiàn)ET，但GAA架構(gòu)有幾種類型。基本上，納米片F(xiàn)ET的側(cè)面是FinFET，柵極包裹著它，能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)更高的性能。

圖1：平面晶體管與FinFET以及GAA FET，

來(lái)源：Lam Research

“GAA技術(shù)對(duì)于晶體管的持續(xù)微縮至關(guān)重要。3nm GAA的關(guān)鍵特性是閾值電壓可以為0.3V。與3nm FinFET相比，這能夠以更低的待機(jī)功耗實(shí)現(xiàn)更好的開(kāi)關(guān)效果，” IBS首席執(zhí)行官Handel Jones說(shuō)?！?3nm GAA的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本與3nm FinFET不會(huì)有顯著差異。但GAA的IP認(rèn)證將是3nm FinFET成本的1.5倍?！?/span>

轉(zhuǎn)向任何新的晶體管技術(shù)都具有挑戰(zhàn)性，納米片F(xiàn)ET的推出時(shí)間表因晶圓廠而異。例如，三星正在量產(chǎn)基于FinFET的7nm和5nm工藝，并計(jì)劃在2022到2023年間推出3nm的納米片。同時(shí)，臺(tái)積電將把FinFET擴(kuò)展到3nm，同時(shí)將在2024/2025年遷移到2nm的納米片F(xiàn)ET。英特爾和其他公司也在研究納米片。

納米片F(xiàn)ET包含多個(gè)組件，包括一個(gè)溝道，該溝道允許電子流過(guò)晶體管。首款納米片F(xiàn)ET采用傳統(tǒng)的基于硅的溝道材料，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(dòng)，提高器件的性能。

高遷移率溝道并不是新事物，已經(jīng)在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來(lái)了集成方面的挑戰(zhàn)，供應(yīng)商正在采取不同的方法解決：

在IEDM（國(guó)際電子元件會(huì)議）上，英特爾發(fā)表了一篇有關(guān)應(yīng)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(yōu)先”流程開(kāi)發(fā)該器件。
IBM正在使用不同的后溝道工藝開(kāi)發(fā)類似的SiGe納米片。
其他溝道材料正在研發(fā)中。

芯片微縮的挑戰(zhàn)

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隨著工藝的發(fā)展，有能力制造先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的公司數(shù)量在不斷減少。其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是新節(jié)點(diǎn)的成本卻越來(lái)越高，臺(tái)積電最先進(jìn)的300mm晶圓廠耗資200億美元。

幾十年來(lái)，IC行業(yè)一直遵循摩爾定律，也就是每18至24個(gè)月將晶體管密度翻倍，以便在芯片上增加更多功能。但是，隨著新節(jié)點(diǎn)成本的增加，節(jié)奏已經(jīng)放慢。最初是在20nm節(jié)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)平面晶體管的性能已經(jīng)發(fā)揮到極致，需要用FinFET代替，隨著GAA FET的引入，摩爾定律可能會(huì)進(jìn)一步放慢速度。

FinFET極大地幫助了22nm和16/14nm節(jié)點(diǎn)改善漏電流?！芭c平面晶體管相比，鰭片通過(guò)柵極在三側(cè)接觸，可以更好地控制鰭片中形成的溝道，” Lam Research大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Nerissa Draeger說(shuō)。

在7nm以下，靜態(tài)功耗再次成為嚴(yán)重的問(wèn)題，功耗和性能優(yōu)勢(shì)也開(kāi)始減少。過(guò)去，芯片制造商可以預(yù)期晶體管規(guī)格微縮為70%，在相同功率下性能提高40%，面積減少50%?，F(xiàn)在，性能的提升在15- 20%的范圍，就需要更復(fù)雜的流程，新材料和不一樣的制造設(shè)備。

為了降低成本，芯片制造商已經(jīng)開(kāi)始部署比過(guò)去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對(duì)于在最新的工藝節(jié)點(diǎn)上制造的芯片變得越來(lái)越挑剔。并非所有芯片都需要FinFET，模擬、RF和其它器件只需要更成熟的工藝，并且仍然有很旺盛的需求。

但數(shù)字邏輯芯片仍在繼續(xù)演進(jìn)，3nm及以下的晶體管結(jié)構(gòu)仍在研發(fā)。最大的問(wèn)題是，有多少公司將繼續(xù)為不斷縮小的晶體管研發(fā)提供資金，以及如何將這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片與更成熟的工藝集成到同一封裝或系統(tǒng)中，以及最終效果如何。

UMC業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Walter Ng表示：“這實(shí)際上是晶圓經(jīng)濟(jì)。在尖端節(jié)點(diǎn)，晶圓成本是天文數(shù)字，因此，很少有客戶和應(yīng)用能夠負(fù)擔(dān)得起昂貴的成本。即使對(duì)于負(fù)擔(dān)得起成本的客戶，他們的某些晶圓尺寸已經(jīng)超過(guò)掩模版最大尺寸，這顯然會(huì)帶來(lái)產(chǎn)量挑戰(zhàn)?！?/span>

成熟節(jié)點(diǎn)和先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的需求都很大。D2S首席執(zhí)行官Aki Fujimura表示：“芯片行業(yè)出現(xiàn)了分歧，超級(jí)計(jì)算需求（包括深度學(xué)習(xí)和其他應(yīng)用）需要3nm，2nm等先進(jìn)制程。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)和其他量大、低成本的應(yīng)用將繼續(xù)使用成熟工藝?！?/span>

為什么使用納米片？

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最前沿的工藝有幾個(gè)障礙需要克服。當(dāng)鰭片寬度達(dá)到5nm（也就是3nm節(jié)點(diǎn)）時(shí)，F(xiàn)inFET也就接近其物理極限。FinFET的接觸間距（CPP）達(dá)到了約45nm的極限，金屬節(jié)距為22nm。CPP是從一個(gè)晶體管的柵極觸點(diǎn)到相鄰晶體管柵極觸點(diǎn)間的距離。

一旦FinFET達(dá)到極限，芯片制造商將遷移到3nm / 2nm甚至更高的納米片F(xiàn)ET。當(dāng)然，F(xiàn)inFET仍然適用于16nm / 14nm至3nm的芯片，平面晶體管仍然是22nm及以上的主流技術(shù)。

全方位柵極不同于FinFET。Lam的Draeger解釋說(shuō)：“全能門或GAA晶體管是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的晶體管結(jié)構(gòu)，其中柵極從各個(gè)側(cè)面接觸溝道并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微縮。早期的GAA設(shè)備將使用垂直堆疊的納米片。它們由單獨(dú)的水平板構(gòu)成，四周均由門材料包圍。相對(duì)于FinFET，提供了改進(jìn)的溝道控制?！?/span>

在納米片F(xiàn)ET中，每個(gè)小片都構(gòu)成一個(gè)溝道。第一代納米片F(xiàn)ET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于pFET，而nFET將繼續(xù)使用硅。

納米片F(xiàn)ET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(jí)集成工程師Sylvain Barraud在論文中說(shuō)，7片的GAA與通常的2級(jí)堆疊納米板GAA晶體管相比，具有3倍的性能改進(jìn)。

從表面上看，3nm FinFET和納米片相比的微縮優(yōu)勢(shì)似乎很小。最初，納米片F(xiàn)ET可能具有44nm CPP，柵極長(zhǎng)度為12nm。

但是，納米片相比FinFET具有許多優(yōu)勢(shì)。使用FinFET，器件的寬度是確定的。但是，使用納米片，IC供應(yīng)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(qū)動(dòng)電流和性能。窄的納米片具有較小的驅(qū)動(dòng)電流，占用的面積也較小。

Imec CMOS技術(shù)高級(jí)副總裁Sri Samavedam說(shuō)：“ GAA架構(gòu)進(jìn)一步改善了縮小柵極長(zhǎng)度的短溝道控制，而堆疊的納米片則提高了單位面積的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。”

除了技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，代工廠也在開(kāi)發(fā)納米片F(xiàn)ET，這讓客戶選擇面臨困難。

按照現(xiàn)在的情況，三星計(jì)劃在2022/2023年間推出全球首個(gè)3nm的納米片?！帮L(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)有50%的概率在2022年第四季度。大批量生產(chǎn)的時(shí)間有60%的概率在2023年Q2至Q3?！?IBS的瓊斯說(shuō)。

使用新晶體管會(huì)帶來(lái)一些成本和上市時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)。考慮到這一點(diǎn)，客戶還有其他選擇。例如，臺(tái)積電計(jì)劃將FinFET擴(kuò)展到3nm，然后再使用納米片。

瓊斯說(shuō)：“三星顯然是3nm GAA的領(lǐng)先者，但臺(tái)積電也在開(kāi)發(fā)2024至2025年投產(chǎn)的的2nm GAA。TSMC有出色的營(yíng)銷技巧，吸引了許多大型客戶使用其3nm FinFET技術(shù)?！?/span>

無(wú)論如何，開(kāi)發(fā)5nm / 3nm及更先進(jìn)制程芯片的成本是天文數(shù)字。因此，客戶正在尋找替代方案，例如先進(jìn)封裝。

“隨著芯片尺寸的縮小，越來(lái)越難以在新節(jié)點(diǎn)上使用更小的晶體管，重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移，比如先進(jìn)封裝可以獲得更低的功耗，更高速度?！?CyberOptics總裁兼首席執(zhí)行官Subodh Kulkarni 。

納米片的制造

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未來(lái)，領(lǐng)先的IC供應(yīng)商將遷移到諸如納米片之類的GAA架構(gòu)，這將面臨諸多挑戰(zhàn)。

“就像從平面到FinFET的過(guò)渡一樣，從FinFET到GAA的過(guò)渡也將是艱難的?！?Lam Research計(jì)算產(chǎn)品副總裁David Fried說(shuō)。“轉(zhuǎn)向FinFET時(shí)，最大的挑戰(zhàn)是優(yōu)化垂直側(cè)壁上的器件，因此出現(xiàn)了許多表面處理和沉積挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，使用GAA必須在結(jié)構(gòu)底層優(yōu)化設(shè)備。表面處理和沉?xí)兊酶咛魬?zhàn)性?！?/strong>

蝕刻，一種去除晶體管結(jié)構(gòu)中材料的工藝，如今也更具有挑戰(zhàn)性。Fried說(shuō)：“使用平面結(jié)構(gòu)時(shí)，通常很清楚何時(shí)需要各向同性（共形）的過(guò)程而不是各向異性（定向）的過(guò)程。使用FinFET時(shí)變得有些棘手。使用GAA時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得非常棘手。一些過(guò)程在某些地方需要各向同性，例如在納米線/片材下方進(jìn)行蝕刻以及各向異性，這個(gè)過(guò)程極具挑戰(zhàn)?！?/span>

圖2：堆疊納米片F(xiàn)ET的工藝流程。資料來(lái)源：Leti

在工藝流程中，納米片F(xiàn)ET開(kāi)始于在基板上形成超晶格結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)中制造微小的垂直鰭片。每個(gè)納米片彼此分開(kāi)，并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(shù)對(duì)鰭片進(jìn)行構(gòu)圖，然后進(jìn)行蝕刻工藝。

Onto Innovation戰(zhàn)略產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)Scott Hoover表示：“ GAA晶體管的性能僅好于其最弱的溝道，因此需要單獨(dú)的納米片尺寸控制度量。通過(guò)超晶格形成鰭需要對(duì)厚度，成分和硅片CD進(jìn)行單獨(dú)的層控制。”

然后是更困難的步驟之一——內(nèi)部間隔物的形成。首先，使用橫向蝕刻工藝使超晶格結(jié)構(gòu)中的SiGe層的外部凹陷。這樣會(huì)產(chǎn)生小空間，并充滿電介質(zhì)材料。

TEL的技術(shù)人員羅伯特·克拉克（Robert Clark）表示：“由于不能停止蝕刻，控制內(nèi)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(guò)側(cè)壁間隔物的地方凹進(jìn)去，然后用電介質(zhì)內(nèi)部間隔層替換該外延層。這是非常關(guān)鍵的5nm凹陷蝕刻，因?yàn)檫@是非線性且無(wú)法停止，難度相當(dāng)于無(wú)網(wǎng)走鋼絲的過(guò)程?！?/span>

還有其他挑戰(zhàn)?！皟?nèi)部間隔模塊對(duì)于定義最終晶體管功能至關(guān)重要，對(duì)該模塊的控制對(duì)于最大程度地減少晶體管可變性至關(guān)重要。內(nèi)部隔離模塊可控制有效柵極長(zhǎng)度，并將柵極與源極/漏極epi隔離開(kāi)?！?KLA工藝控制解決方案總監(jiān)Andrew Cross說(shuō)道，“在該模塊中，SiGe會(huì)凹進(jìn)去，然后內(nèi)部隔離層會(huì)沉積并凹陷。在內(nèi)部隔離物形成的每個(gè)步驟中，精確控制凹口和最終隔離物凹槽的形狀和CD對(duì)確保晶體管性能至關(guān)重要。而且，需要控制堆棧中每個(gè)單獨(dú)的溝道?！?/span>

接下來(lái)，形成源極/漏極，然后是溝道。這需要使用蝕刻工藝去除超晶格結(jié)構(gòu)中的SiGe層，剩下的是構(gòu)成溝道的硅基層或片。

“此步驟是GAA結(jié)構(gòu)彼此分離，這可能導(dǎo)致具有挑戰(zhàn)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(shuō)。

挑戰(zhàn)不止如此。Onto's Hoover說(shuō)：“形成溝道需要對(duì)板高、拐角腐蝕和溝道彎曲進(jìn)行單獨(dú)控制。”

高k /金屬柵材料沉積在結(jié)構(gòu)中，最后形成銅互連，從而形成納米片F(xiàn)ET?！捌渌赡芨淖兊哪K是設(shè)備的底部隔離和用于容納納米片的功能性金屬/層，但是這些模塊主要依賴于行業(yè)中已知/開(kāi)發(fā)的工藝。

當(dāng)然，即便不是全新的模塊，實(shí)現(xiàn)也變得越來(lái)越困難。

高遷移率器件

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第一代納米片F(xiàn)ET將是基于硅的溝道。這些納米片理論上優(yōu)于FinFET，但并非總是如此。

“從FinFET到納米片，我們已經(jīng)觀察到電子遷移率（對(duì)于nFET）有顯著的提高。問(wèn)題將是pFET空穴遷移率下降。這就是我們需要解決的問(wèn)題，” IBM設(shè)備與單元流程研發(fā)經(jīng)理Nicolas Loubet在演講中說(shuō)。

換句話說(shuō)，芯片制造商需要提高納米片中的pFET性能。因此，供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)有改進(jìn)的pFET第二代納米片F(xiàn)ET。第二代納米片材將繼續(xù)提供基于硅的溝道用于nFET，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┳銐虻男阅堋?/span>

為了提高pFET，芯片制造商正在研究高遷移率溝道材料。更具優(yōu)勢(shì)的材料是SiGe，而III-V族材料，鍺和其他材料也正在研發(fā)中。

英特爾設(shè)備工程師Ashish Agrawal在論文中說(shuō)：“由于其優(yōu)異的空穴遷移率，以及考慮到批量生產(chǎn)的成熟工藝，Strained SiGe最近成為有希望的pFET溝道來(lái)替代硅?！?/span>

為了加入這些材料，芯片制造商在晶圓廠中實(shí)施了所謂的應(yīng)變工程工藝。應(yīng)變是一種施加到硅上以改善電子遷移率的應(yīng)力。

應(yīng)變工程工藝并不新鮮，多年來(lái)，芯片制造商一直在溝道中使用SiGe合金應(yīng)力以提高載流子遷移率。IBM高級(jí)研究員Shogo Mochizuki表示：“應(yīng)變工程已成為CMOS技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從90nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，源極-漏極外延生長(zhǎng)會(huì)在溝道中應(yīng)變，有助于電子遷移。而且，在FinFET中仍然被使用?！?/strong>

因此，芯片制造商自然會(huì)在下一代GAA晶體管中引入應(yīng)變SiGe溝道材料，但有一些新的挑戰(zhàn)。

“我們建議用溝道SiGe代替溝道硅，這可以幫助增加移動(dòng)性。此外，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)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(yīng)變技術(shù)無(wú)法提供的?！?Mochizuki說(shuō)?！笆褂眯滦蜏系啦牧系募{米片所面臨的最大挑戰(zhàn)是確保材料的均勻性和結(jié)構(gòu)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(kāi)發(fā)SiGe pFET溝道，包括先形成溝道后形成溝道。

在IEDM上，英特爾發(fā)表了一篇關(guān)于在應(yīng)變松弛緩沖器（SRB）上的SiGe納米片pMOS器件的論文。納米片溝道基于壓縮應(yīng)變的SiGe和Si0.4Ge0.6的混合物。pMOS器件由5nm的片厚和25nm長(zhǎng)的柵極組成。

溝道形成發(fā)生在常規(guī)納米片工藝的早期階段。從許多方面來(lái)說(shuō)，這是SiGe溝道優(yōu)先處理。

英特爾的工藝始于300mm基板，在基板上生長(zhǎng)基于SiGe的SRB層。然后，在SRB層上生長(zhǎng)壓縮Si0.4Ge0.6和拉伸硅的交替層。

這將創(chuàng)建一個(gè)超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)成pFET的SiGe溝道的基礎(chǔ)。英特爾公司的Agrawal說(shuō)：“在這項(xiàng)工作中，我們展示了一個(gè)埋入式Si0.7Ge0.3 SRB整體應(yīng)力源，可在Si0.4Ge0.6 pFET納米片中引起壓縮應(yīng)變，從而增強(qiáng)了空穴傳輸。”

SRB的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是虛擬襯底。傳統(tǒng)上，硅襯底決定了沉積或生長(zhǎng)在其頂部的所有外延層的晶格常數(shù)。

溝道和源極/漏極中應(yīng)變的性質(zhì)取決于該層相對(duì)于硅襯底之間的晶格常數(shù)的相對(duì)差異。Agrawal說(shuō)，“對(duì)于SRB或虛擬襯底，我們通過(guò)在硅襯底頂部生長(zhǎng)松弛的Si 0.7 Ge 0.3緩沖層來(lái)改變襯底本身的晶格常數(shù)。沉積在該緩沖層頂部的所有后續(xù)層將相對(duì)于Si 0.7 Ge 0.3應(yīng)變。通過(guò)改變松弛Si 0.7形式的襯底晶格常數(shù)Ge 0.3緩沖液，我們可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變納米片CMOS。”

其他公司則采取不同的方法。例如，在IEDM上，IBM發(fā)表了一篇用后形成溝道工藝在帶有應(yīng)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(yīng)的溝道電阻降低了40%，同時(shí)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(zhǎng)4 nm厚的Si 0.65 Ge 0.35的堆疊SiGe NSs溝道的截面STEM圖像和EDX元素圖。Wsheet ＝ 40nm。資料來(lái)源：IBM

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