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

Intel、三星、臺積電和其他公司正在為從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節(jié)點的新型全柵場效應(yīng)晶體管（GAA FET）過渡奠定基礎(chǔ)，這種過渡將從明年或2023年開始。

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晶體管被認為是FinFET的演進，并且已經(jīng)進行了多年研發(fā)，但任何新型晶體管或材料對于芯片行業(yè)來說都是巨大的工程。芯片制造商一直在盡可能長地推遲這一行動，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現(xiàn)更高的性能。

圖1：平面晶體管與FinFET以及GAA FET

“GAA技術(shù)對于晶體管的持續(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功耗實現(xiàn)更好的開關(guān)效果，” IBS首席執(zhí)行官Handel Jones說。“ 3nm GAA的產(chǎn)品設(shè)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(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F(xiàn)ET。Intel和其他公司也在研究納米片。

納米片F(xiàn)ET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，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（國際電子元件會議）上，Intel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。Intel使用所謂的“溝道優(yōu)先”流程開發(fā)該器件。

IBM正在使用不同的后溝道工藝開發(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)

隨著工藝的發(fā)展，有能力制造先進節(jié)點芯片的公司數(shù)量在不斷減少。其中一個關(guān)鍵的原因是新節(jié)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(yè)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，隨著新節(jié)點成本的增加，節(jié)奏已經(jīng)放慢。最初是在20nm節(jié)點，當時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，摩爾定律可能會進一步放慢速度。

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

在7nm以下，靜態(tài)功耗再次成為嚴重的問題，功耗和性能優(yōu)勢也開始減少。過去，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%。現(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)開始部署比過去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對于在最新的工藝節(jié)點上制造的芯片變得越來越挑剔。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，3nm及以下的晶體管結(jié)構(gòu)仍在研發(fā)。最大的問題是，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節(jié)點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：“這實際上是晶圓經(jīng)濟。在尖端節(jié)點，晶圓成本是天文數(shù)字，因此，很少有客戶和應(yīng)用能夠負擔得起昂貴的成本。即使對于負擔得起成本的客戶，他們的某些晶圓尺寸已經(jīng)超過掩模版最大尺寸，這顯然會帶來產(chǎn)量挑戰(zhàn)。”

成熟節(jié)點和先進節(jié)點的需求都很大。D2S首席執(zhí)行官Aki Fujimura表示：“芯片行業(yè)出現(xiàn)了分歧，超級計算需求（包括深度學習和其他應(yīng)用）需要3nm，2nm等先進制程。與此同時，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。”

為什么使用納米片？

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(jié)點）時，F(xiàn)inFET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(jié)距為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，芯片制造商將遷移到3nm / 2nm甚至更高的納米片F(xiàn)ET。當然，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：“全能門或GAA晶體管是一種經(jīng)過改進的晶體管結(jié)構(gòu)，其中柵極從各個側(cè)面接觸溝道并實現(xiàn)進一步微縮。早期的GAA設(shè)備將使用垂直堆疊的納米片。它們由單獨的水平板構(gòu)成，四周均由門材料包圍。相對于FinFET，提供了改進的溝道控制。”

在納米片F(xiàn)ET中，每個小片都構(gòu)成一個溝道。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(yōu)勢似乎很小。最初，納米片F(xiàn)ET可能具有44nm CPP，柵極長度為12nm。

但是，納米片相比FinFET具有許多優(yōu)勢。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)動電流和性能。窄的納米片具有較小的驅(qū)動電流，占用的面積也較小。

Imec CMOS技術(shù)高級副總裁Sri Samavedam說：“ GAA架構(gòu)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(qū)動強度。”

除了技術(shù)優(yōu)勢外，代工廠也在開發(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，三星計劃在2022/2023年間推出全球首個3nm的納米片。“風險試產(chǎn)有50%的概率在2022年第四季度。大批量生產(chǎn)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，然后再使用納米片。

瓊斯說：“三星顯然是3nm GAA的領(lǐng)先者，但臺積電也在開發(fā)2024至2025年投產(chǎn)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(shù)。”

無論如何，開發(fā)5nm / 3nm及更先進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，例如先進封裝。

“隨著芯片尺寸的縮小，越來越難以在新節(jié)點上使用更小的晶體管，重點已轉(zhuǎn)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(zhí)行官Subodh Kulkarni 。

納米片的制造

未來，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的過渡一樣，從FinFET到GAA的過渡也將是艱難的。” Lam Research計算產(chǎn)品副總裁David Fried說。“轉(zhuǎn)向FinFET時，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)。現(xiàn)在，使用GAA必須在結(jié)構(gòu)底層優(yōu)化設(shè)備。表面處理和沉會變得更具挑戰(zhàn)性。”

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：“使用平面結(jié)構(gòu)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(zhàn)。”

圖2：堆疊納米片F(xiàn)ET的工藝流程。

在工藝流程中，納米片F(xiàn)ET開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。每個納米片彼此分開，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)對鰭片進行構(gòu)圖，然后進行蝕刻工藝。

Onto Innovation戰(zhàn)略產(chǎn)品營銷高級總監(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側(cè)壁間隔物的地方凹進去，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，因為這是非線性且無法停止，難度相當于無網(wǎng)走鋼絲的過程。”

還有其他挑戰(zhàn)。“內(nèi)部間隔模塊對于定義最終晶體管功能至關(guān)重要，對該模塊的控制對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度，并將柵極與源極/漏極epi隔離開。” KLA工藝控制解決方案總監(jiān)Andrew Cross說道，“在該模塊中，SiGe會凹進去，然后內(nèi)部隔離層會沉積并凹陷。在內(nèi)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(guān)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。

挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)中，最后形成銅互連，從而形成納米片F(xiàn)ET。“其他可能改變的模塊是設(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/開發(fā)的工藝。

當然，即便不是全新的模塊，實現(xiàn)也變得越來越困難。

高遷移率器件

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（對于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(shè)備與單元流程研發(fā)經(jīng)理Nicolas Loubet在演講中說。

換句話說，芯片制造商需要提高納米片中的pFET性能。因此，供應(yīng)商正在開發(fā)有改進的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，因為它們能夠提供足夠的性能。

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)勢的材料是SiGe，而III-V族材料，鍺和其他材料也正在研發(fā)中。

Intel設(shè)備工程師Ashish Agrawal在論文中說：“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溝道來替代硅。”

為了加入這些材料，芯片制造商在晶圓廠中實施了所謂的應(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，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)點開始，源極-漏極外延生長會在溝道中應(yīng)變，有助于電子遷移。而且，在FinFET中仍然被使用。”

因此，芯片制造商自然會在下一代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性。此外，這項創(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(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，有幾種方法可以開發(fā)SiGe pFET溝道，包括先形成溝道后形成溝道。

在IEDM上，Intel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。從許多方面來說，這是SiGe溝道優(yōu)先處理。

Intel的工藝始于300mm基板，在基板上生長基于SiGe的SRB層。然后，在SRB層上生長壓縮Si0.4Ge0.6和拉伸硅的交替層。

這將創(chuàng)建一個超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)成pFET的SiGe溝道的基礎(chǔ)。Intel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(yīng)力源，可在Si0.4Ge0.6 pFET納米片中引起壓縮應(yīng)變，從而增強了空穴傳輸。”

SRB的另一個術(shù)語是虛擬襯底。傳統(tǒng)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(shù)。

溝道和源極/漏極中應(yīng)變的性質(zhì)取決于該層相對于硅襯底之間的晶格常數(shù)的相對差異。Agrawal說，“對于SRB或虛擬襯底，我們通過在硅襯底頂部生長松弛的Si 0.7 Ge 0.3緩沖層來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)層將相對于Si 0.7 Ge 0.3應(yīng)變。通過改變松弛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。

IBM在流程的后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(yīng)變是無效的。這也給制造過程帶來了復(fù)雜性和成本。” IBM的Mochizuki說。“通過我們的新技術(shù)，SiGe層中的應(yīng)變得以保留。發(fā)生這種情況的原因是此過程基于SiGe外延后向方案，對于提高性能至關(guān)重要。

更具體地說，IBM在溝道釋放過程之后開發(fā)SiGe溝道。溝道釋放后，水平和垂直修整硅納米片。然后，在修整后的硅納米片周圍選擇性包裹一個SiGe層，稱為SiGe覆層。 Mochizuki說，“最終的結(jié)構(gòu)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(nèi)，可以在應(yīng)變的SiGe溝道層中提高載流子遷移率。”

結(jié)論

GAA FET面臨幾個制造挑戰(zhàn)，而且成本非常高昂，以至于尚不清楚有多少芯片制造商能夠負擔得起。幸運的是，它不是唯一選擇。先進的封裝和新的架構(gòu)肯定會在當前和未來的設(shè)備中發(fā)揮更大的作用。

沒有一種技術(shù)可以滿足所有需求。因此，至少就目前而言，這些都是選擇。
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