據(jù)行業(yè)內(nèi)知名媒體semiwiki報(bào)道，當(dāng)前被先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的FinFET器件的下一個(gè)繼任者架將是一種被稱為“納米片”器件。
他們指出 ，與平面器件相比，F(xiàn)inFET的柵極橫穿鰭的三個(gè)側(cè)面，提供了改進(jìn)的柵極至溝道靜電控制。而納米片器件的“GAA”特性在器件通道周圍的靜電控制方面則帶來(lái)了進(jìn)一步的改進(jìn)。這就帶來(lái)了更理想的亞閾值斜率或SS（subthreshold slope）。SS與器件柵極輸入電壓的變化有關(guān)，該變化導(dǎo)致泄漏電流變化10倍。較小的SS意味著更快的器件開關(guān)速度，并且顯著 地減少了靜態(tài)源極/漏極泄漏電流和泄漏功耗。
另外，納米片裝置提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。FinFET器件寬度的拓?fù)涫橇炕模╓eff?（（2 * fin_height）+（fin_thickness））），而納米片器件的寬度由EUV光刻法定義（Weff?nanosheet_perimeter）。
有效的納米片寬度可以通過(guò)垂直堆疊多個(gè)通道來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展，而柵極材料完全圍繞著各個(gè)納米片。這個(gè)設(shè)計(jì)的靈活性和改進(jìn)的設(shè)備特性使該技術(shù)顯得非常有吸引力。
然而，將納米片處理引入生產(chǎn)存在重大挑戰(zhàn)。以下只是其中的一部分：
1、隔離納米片設(shè)備溝通的各個(gè)“功能區(qū)”（“ribbons”）
納米片器件被制造在外延層中。水平器件板嵌入其他外延生長(zhǎng)層中，例如，由不同組成的外延層（例如SiGe / Si / SiGe / Si / SiGe）夾在中間的硅層。（其中，Si和Ge之間晶體結(jié)構(gòu)的緊密相似性至關(guān)重要。）
納米片裝置“帶”（ “ribbons” ）的形成需要非常有選擇性的蝕刻工藝。去除上方和下方的外延層，同時(shí)不蝕刻剩余的器件溝道。對(duì)于多個(gè)堆疊的納米片，該蝕刻過(guò)程還需要是各向異性的，以使納米片之間的所有犧牲外延層材料被完全去除。
2、圍繞暴露的納米片帶（exposed nanosheet ribbons）的高K柵極氧化物電介質(zhì)需要非常均勻，并具有出色的附著力
氧化物缺陷密度和界面陷阱密度（對(duì)于注入的“熱”載流子）必須非常低。（氫氣環(huán)境中的退火步驟通常包含在設(shè)備工藝流程中。）
3、同樣，金屬柵材料堆疊需要均勻地沉積在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，以完全包圍堆疊的sheets
柵極堆疊通常包括初始的金屬氧化物e “workfunction”層（例如TiN），然后是填充柵極體積的金屬（例如鎢）。（原子層沉積（ALD）確實(shí)是一項(xiàng)了不起的技術(shù)。）
4、需要在溝道附近制作一個(gè)低阻源極/漏極器件節(jié)點(diǎn)，以減小Rs和Rd
使用外延生長(zhǎng)步驟（具有高的摻雜劑濃度）來(lái)增加溝道附近的S / D體積，該溝道通過(guò)側(cè)壁隔離氧化物適當(dāng)?shù)嘏c柵極隔離。（其他FET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也使用類似的凸起S / D外延步驟。）此外，S / D摻雜輪廓需要確保與第一級(jí)金屬的接觸電阻低。
5、“器件工程”需要在溝道材料中引入很大的應(yīng)變，以提高自由載流子遷移率，從而改善驅(qū)動(dòng)電流
從平面到FinFET器件拓?fù)涞膸状に囍校呀?jīng)采用了多種技術(shù)將應(yīng)變引入溝道材料晶體中——拉伸應(yīng)變可提高nMOS電子遷移率，壓縮應(yīng)變可提高pMOS空穴遷移率。“ Stressor”材料介電層被添加到平面設(shè)備的頂部。凸起的S / D外延區(qū)域還將應(yīng)變傳遞到通道。
特別值得關(guān)注的是硅中電子與空穴遷移率之間的差異。
工藝開發(fā)工程師不斷努力提高空穴遷移率，使其更接近電子遷移率。該領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展是在S / D外延生長(zhǎng)步驟中添加了Ge，并最終在pFET通道中添加了Ge –即Si（x）Ge（1-x）晶體結(jié)構(gòu)，提供了壓縮應(yīng)變和大大提高了空穴遷移率。（經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的人會(huì)記得pFET器件寬度是nFET器件寬度的2.5倍至3倍的3年代，以補(bǔ)償空穴與電子遷移率的差異。隨著在SiGe pFET制備過(guò)程中引入的應(yīng)變，這種差異已大大減小。）
向厚度非常小的納米片通道的過(guò)渡加劇了提供改進(jìn)的pFET器件特性的難度。
在最近的IEDM會(huì)議上，英特爾詳細(xì)介紹了其納米片工程技術(shù)如何應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的論文。
pFET納米片制造
下圖描繪了nFET和pFET納米片的概述。
如上所述，溝道中的壓縮應(yīng)變是高性能設(shè)備的關(guān)鍵。這可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：
pFET溝道的外延納米片是Si（0.4）Ge（0.6）
提高的S / D外延生長(zhǎng)量也是SiGe
納米片正下方的襯底由Si和Si（0.7）Ge（0.3）的“應(yīng)變消除緩沖”（strain relief buffer：SRB）層組成
該緩沖層提供了從塊狀硅襯底的中間晶體轉(zhuǎn)變，并提供了一定程度的附加溝道應(yīng)變。
值得一提的是，Si和Ge的晶格常數(shù)僅相差4.2％，即Si = 0.543nm，Ge = 0.566nm。結(jié)果，Ge / Si比是完全可混溶的。
上圖還說(shuō)明了其他過(guò)程工程約束：
為了降低接觸電阻，需要在S / D區(qū)域上添加高度摻雜的頂層
柵極氧化物需要低的缺陷和陷阱密度（具有非常高的高K材料厚度-例如，通道和隨后的HfO2層的介電層）
從納米片厚度（？5nm）到大的p + S / D節(jié)點(diǎn)的過(guò)渡需要詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)，以使柵極與S / D隔離，并將壓縮應(yīng)變從摻雜的SiGe外延引入pMOS溝道。（有關(guān)此步驟的更多信息，請(qǐng)稍后。）
下圖總結(jié)了整個(gè)英特爾pMOS納米片制造步驟，并提供了單個(gè)納米片器件的TEM截面-NS厚度= 5nm，Lgate = 25nm，寬度= 100nm，EOT氧化物= 9.1埃。
納米片的制造需要幾個(gè)獨(dú)特的步驟，將保形材料沉積與各向同性和各向異性（定向）蝕刻技術(shù)相結(jié)合。另外，各向同性蝕刻技術(shù)需要對(duì)不同的材料組成具有很高的選擇性。
以下來(lái)自參考文獻(xiàn)的圖說(shuō)明了多層堆疊納米片的一般情況的總體流程。而英特爾IEDM討論集中于單個(gè)pMOS納米片器件的材料和壓縮溝道應(yīng)變。
起始材料是未摻雜的Si / SiGe外延層的交替層。對(duì)“虛擬”頂層?xùn)艠O進(jìn)行構(gòu)圖，然后共形沉積氧化物并（高度）各向異性蝕刻氧化物和Si / SiGe層，以形成初始納米片堆疊。下一步很關(guān)鍵，如下所示。
選擇性地蝕刻暴露的柵極區(qū)域的側(cè)壁，以提供用于共形氧化物沉積的凹陷體積。對(duì)該氧化物的各向異性蝕刻導(dǎo)致堆疊，其中柵極區(qū)域具有橫向間隔氧化物，而溝道的側(cè)壁保持暴露，并用作源/漏外延生長(zhǎng)的種子。
Si中的納米片nMOS器件需要對(duì)相鄰的SiGe層進(jìn)行高度選擇性蝕刻的處理，從而暴露出用于S / D外延生長(zhǎng)的Si側(cè)壁。納米片pMOS器件需要高的硅蝕刻速率，從而暴露出用于S / D外延生長(zhǎng)的SiGe側(cè)壁。廣泛的工藝研發(fā)（和材料化學(xué)）已應(yīng)用于優(yōu)化Si / SiGe“蝕刻速率比”。
在S / D外延生長(zhǎng)之后，將虛設(shè)柵極和外延?xùn)艠O層蝕刻掉（再次非常有選擇地蝕刻到現(xiàn)在發(fā)布的納米片溝道“ribbons”上）。在預(yù)清潔之后，將高K柵極氧化物材料沉積在ribbon上，然后沉積（功函數(shù)和低電阻）金屬柵極堆疊，這兩個(gè)步驟均使用原子層沉積（ALD）。向下接觸底部的“溝槽”，將其打開并填充金屬，以完成納米片的制造。（在該流程中，為了蝕刻前的表面平面度，也有化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）步驟。）
附帶一提的是，還應(yīng)該指出，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的工藝研發(fā)，以選擇特定的晶體取向，以優(yōu)化應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)的載流子遷移率，蝕刻速率選擇性和S / D外延生長(zhǎng)。
納米片和寄生晶體管
回到其優(yōu)化的壓應(yīng)變pMOS納米片的英特爾演示文稿中，不同設(shè)備的IDS-VGS曲線如下所示（Lgate = 55nm和25nm）。
從全方位柵極配置的優(yōu)異靜電中可以預(yù)期到，為這些器件測(cè)量的亞閾值斜率非常出色。（英特爾沒(méi)有描述其建立pFET器件閾值電壓的工程方法。）
特別令人感興趣的是S / D到基板接口的設(shè)計(jì)。納米片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致圍繞底部納米片的金屬柵極與襯底之間的寄生晶體管。與納米片的S / D接觸還用作底部寄生晶體管的S / D連接。為了評(píng)估這種寄生器件電流的大小，英特爾制造并測(cè)量了僅由該寄生晶體管組成的測(cè)試工具-實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。
該設(shè)備的泄漏電流遠(yuǎn)小于納米片的泄漏電流，表明該“sneak” 電流得到了適當(dāng)?shù)囊种啤＃檫M(jìn)一步減小這種寄生電流，可以在S / D觸點(diǎn)下方引入穿通停止摻雜劑區(qū)域。）
VDD優(yōu)化
對(duì)于高性能應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員正在尋求將電源電壓提高到技術(shù)最高水平。這些限制是由于較高電壓下Ioff泄漏的增加所致。溝道中較高的漏極至源極電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致漏極引起的勢(shì)壘降低（drain-induced barrier lowering：DIBL）電流，而非常高的漏極至柵極場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致柵極引起的漏極泄漏隧道電流（gate-induced-drain-leakage tunnel current：GIDL）。下圖表明，在GIDL電流呈指數(shù)增長(zhǎng)之前（應(yīng)變SiGe，Lgate = 25nm，t_NS = 5nm），VDD = 0.9V對(duì)于該技術(shù)是可行的。
