3nm 工艺稳了：揭秘新一代晶体管结构

一些晶圆代工厂仍在基于下一代全能栅极晶体管开发新工艺，包括更先进的高迁移率版本，但是将这些技术投入生产将是困难且昂贵的。

英特尔、三星、台积电和其他公司正在为从今天的 FinFET 晶体管向 3nm 和 2nm 节点的新型全栅场效应晶体管(GAA FET)过渡奠定基础，这种过渡将从明年或 2023 年开始。

GAA FET 将被用于 3nm 以下，拥有更好的性能，更低的功耗和更低的漏电压。虽然 GAA FET 晶体管被认为是 FinFET 的演进，并且已经进行了多年研发，但任何新型晶体管或材料对于芯片行业来说都是巨大的工程。芯片制造商一直在尽可能长地推迟这一行动，但是为了继续微缩晶体管，需要 GAA FET。

需要指出的是，虽然同为纳米片 FET，但 GAA 架构有几种类型。基本上，纳米片 FET 的侧面是 FinFET，栅极包裹着它，能够以较低的功率实现更高的性能。

“GAA 技术对于晶体管的持续微缩至关重要。3nm GAA 的关键特性是阈值电压可以为 0.3V。与 3nm FinFET 相比，这能够以更低的待机功耗实现更好的开关效果，” IBS 首席执行官 Handel Jones 说。“ 3nm GAA 的产品设计成本与 3nm FinFET 不会有显著差异。但 GAA 的 IP 认证将是 3nm FinFET 成本的 1.5 倍。”

转向任何新的晶体管技术都具有挑战性，纳米片 FET 的推出时间表因晶圆厂而异。例如，三星正在量产基于 FinFET 的 7nm 和 5nm 工艺，并计划在 2022 到 2023 年间推出 3nm 的纳米片。同时，台积电将把 FinFET 扩展到 3nm，同时将在 2024/2025 年迁移到 2nm 的纳米片 FET。英特尔和其他公司也在研究纳米片。

纳米片 FET 包含多个组件，包括一个沟道，该沟道允许电子流过晶体管。首款纳米片 FET 采用传统的基于硅的沟道材料，但下一代版本将可能包含高迁移率沟道材料，使电子能够在沟道中更快地移动，提高器件的性能。

高迁移率沟道并不是新事物，已经在晶体管中使用了多年。但是这些材料给纳米片带来了集成方面的挑战，供应商正在采取不同的方法解决：

• 在 IEDM(国际电子元件会议)上，英特尔发表了一篇有关应变硅锗(SiGe)沟道材料的纳米片 pMOS 器件的论文。英特尔使用所谓的 “沟道优先”流程开发该器件。
• IBM 正在使用不同的后沟道工艺开发类似的 SiGe 纳米片。
• 其他沟道材料正在研发中。

芯片微缩的挑战

随着工艺的发展，有能力制造先进节点芯片的公司数量在不断减少。其中一个关键的原因是新节点的成本却越来越高，台积电最先进的 300mm 晶圆厂耗资 200 亿美元。

几十年来，IC 行业一直遵循摩尔定律，也就是每 18 至 24 个月将晶体管密度翻倍，以便在芯片上增加更多功能。但是，随着新节点成本的增加，节奏已经放慢。最初是在 20nm 节点，当时平面晶体管的性能已经发挥到极致，需要用 FinFET 代替，随着 GAA FET 的引入，摩尔定律可能会进一步放慢速度。

FinFET 极大地帮助了 22nm 和 16/14nm 节点改善漏电流。“与平面晶体管相比，鳍片通过栅极在三侧接触，可以更好地控制鳍片中形成的沟道，” Lam Research 大学项目负责人 Nerissa Draeger 说。

在 7nm 以下，静态功耗再次成为严重的问题，功耗和性能优势也开始减少。过去，芯片制造商可以预期晶体管规格微缩为 70%，在相同功率下性能提高 40%，面积减少 50%。现在，性能的提升在 15- 20% 的范围，就需要更复杂的流程，新材料和不一样的制造设备。

为了降低成本，芯片制造商已经开始部署比过去更加异构的新架构，并且他们对于在最新的工艺节点上制造的芯片变得越来越挑剔。并非所有芯片都需要 FinFET，模拟、RF 和其它器件只需要更成熟的工艺，并且仍然有很旺盛的需求。

但数字逻辑芯片仍在继续演进，3nm 及以下的晶体管结构仍在研发。最大的问题是，有多少公司将继续为不断缩小的晶体管研发提供资金，以及如何将这些先进节点芯片与更成熟的工艺集成到同一封装或系统中，以及最终效果如何。

UMC 业务发展副总裁 Walter Ng 表示：“这实际上是晶圆经济。在尖端节点，晶圆成本是天文数字，因此，很少有客户和应用能够负担得起昂贵的成本。即使对于负担得起成本的客户，他们的某些晶圆尺寸已经超过掩模版最大尺寸，这显然会带来产量挑战。”

成熟节点和先进节点的需求都很大。D2S 首席执行官 Aki Fujimura 表示：“芯片行业出现了分歧，超级计算需求(包括深度学习和其他应用)需要 3nm，2nm 等先进制程。与此同时，物联网和其他量大、低成本的应用将继续使用成熟工艺。”

为什么使用纳米片?

最前沿的工艺有几个障碍需要克服。当鳍片宽度达到 5nm(也就是 3nm 节点)时，FinFET 也就接近其物理极限。FinFET 的接触间距(CPP)达到了约 45nm 的极限，金属节距为 22nm。CPP 是从一个晶体管的栅极触点到相邻晶体管栅极触点间的距离。

一旦 FinFET 达到极限，芯片制造商将迁移到 3nm / 2nm 甚至更高的纳米片 FET。当然，FinFET 仍然适用于 16nm / 14nm 至 3nm 的芯片，平面晶体管仍然是 22nm 及以上的主流技术。

全方位栅极不同于 FinFET。Lam 的 Draeger 解释说：“全能门或 GAA 晶体管是一种经过改进的晶体管结构，其中栅极从各个侧面接触沟道并实现进一步微缩。早期的 GAA 设备将使用垂直堆叠的纳米片。它们由单独的水平板构成，四周均由门材料包围。相对于 FinFET，提供了改进的沟道控制。”

在纳米片 FET 中，每个小片都构成一个沟道。第一代纳米片 FET 的 pFET 和 nFET 器件都将是硅基沟道材料。第二代纳米片很可能将使用高迁移率的材料用于 pFET，而 nFET 将继续使用硅。

纳米片 FET 由两片或更多片组成。最近，Letti 展示了具有 7 片的纳米 FET。Leti 的高级集成工程师 Sylvain Barraud 在论文中说，7 片的 GAA 与通常的 2 级堆叠纳米板 GAA 晶体管相比，具有 3 倍的性能改进。

从表面上看，3nm FinFET 和纳米片相比的微缩优势似乎很小。最初，纳米片 FET 可能具有 44nm CPP，栅极长度为 12nm。

但是，纳米片相比 FinFET 具有许多优势。使用 FinFET，器件的宽度是确定的。但是，使用纳米片，IC 供应商有能力改变晶体管中片的宽度。例如，具有更宽的片的纳米片提供更高的驱动电流和性能。窄的纳米片具有较小的驱动电流，占用的面积也较小。

Imec CMOS 技术高级副总裁 Sri Samavedam 说：“ GAA 架构进一步改善了缩小栅极长度的短沟道控制，而堆叠的纳米片则提高了单位面积的驱动强度。”

除了技术优势外，代工厂也在开发纳米片 FET，这让客户选择面临困难。

按照现在的情况，三星计划在 2022/2023 年间推出全球首个 3nm 的纳米片。“风险试产有 50% 的概率在 2022 年第四季度。大批量生产的时间有 60% 的概率在 2023 年 Q2 至 Q3。” IBS 的琼斯说。

使用新晶体管会带来一些成本和上市时间风险。考虑到这一点，客户还有其他选择。例如，台积电计划将 FinFET 扩展到 3nm，然后再使用纳米片。

琼斯说：“三星显然是 3nm GAA 的领先者，但台积电也在开发 2024 至 2025 年投产的的 2nm GAA。TSMC 有出色的营销技巧，吸引了许多大型客户使用其 3nm FinFET 技术。”

无论如何，开发 5nm / 3nm 及更先进制程芯片的成本是天文数字。因此，客户正在寻找替代方案，例如先进封装。

“随着芯片尺寸的缩小，越来越难以在新节点上使用更小的晶体管，重点已转移，比如先进封装可以获得更低的功耗，更高速度。” CyberOptics 总裁兼首席执行官 Subodh Kulkarni 。

纳米片的制造

未来，领先的 IC 供应商将迁移到诸如纳米片之类的 GAA 架构，这将面临诸多挑战。

“就像从平面到 FinFET 的过渡一样，从 FinFET 到 GAA 的过渡也将是艰难的。” Lam Research 计算产品副总裁 David Fried 说。“转向 FinFET 时，最大的挑战是优化垂直侧壁上的器件，因此出现了许多表面处理和沉积挑战。现在，使用 GAA 必须在结构底层优化设备。表面处理和沉会变得更具挑战性。”

蚀刻，一种去除晶体管结构中材料的工艺，如今也更具有挑战性。Fried 说：“使用平面结构时，通常很清楚何时需要各向同性(共形)的过程而不是各向异性(定向)的过程。使用 FinFET 时变得有些棘手。使用 GAA 时，这个问题变得非常棘手。一些过程在某些地方需要各向同性，例如在纳米线 / 片材下方进行蚀刻以及各向异性，这个过程极具挑战。”

在工艺流程中，纳米片 FET 开始于在基板上形成超晶格结构。外延工具在衬底上沉积交替的 SiGe 和硅层。至少堆叠三层 SiGe 和三层硅组成。

下一步是在超晶格结构中制造微小的垂直鳍片。每个纳米片彼此分开，并且在它们之间留有空间。在晶圆厂流程中，使用极紫外(EUV)光刻技术对鳍片进行构图，然后进行蚀刻工艺。

Onto Innovation 战略产品营销高级总监 Scott Hoover 表示：“ GAA 晶体管的性能仅好于其最弱的沟道，因此需要单独的纳米片尺寸控制度量。通过超晶格形成鳍需要对厚度，成分和硅片 CD 进行单独的层控制。”

然后是更困难的步骤之一——内部间隔物的形成。首先，使用横向蚀刻工艺使超晶格结构中的 SiGe 层的外部凹陷。这样会产生小空间，并充满电介质材料。

TEL 的技术人员罗伯特 · 克拉克(Robert Clark)表示：“由于不能停止蚀刻，控制内部间隔物凹槽蚀刻的工艺变化非常困难。理想情况下，只想在金属的外延层穿过侧壁间隔物的地方凹进去，然后用电介质内部间隔层替换该外延层。这是非常关键的 5nm 凹陷蚀刻，因为这是非线性且无法停止，难度相当于无网走钢丝的过程。”

还有其他挑战。“内部间隔模块对于定义最终晶体管功能至关重要，对该模块的控制对于最大程度地减少晶体管可变性至关重要。内部隔离模块可控制有效栅极长度，并将栅极与源极 / 漏极 epi 隔离开。” KLA 工艺控制解决方案总监 Andrew Cross 说道，“在该模块中，SiGe 会凹进去，然后内部隔离层会沉积并凹陷。在内部隔离物形成的每个步骤中，精确控制凹口和最终隔离物凹槽的形状和 CD 对确保晶体管性能至关重要。而且，需要控制堆栈中每个单独的沟道。”

接下来，形成源极 / 漏极，然后是沟道。这需要使用蚀刻工艺去除超晶格结构中的 SiGe 层，剩下的是构成沟道的硅基层或片。

“此步骤是 GAA 结构彼此分离，这可能导致具有挑战性的缺陷，例如纳米片之间的残留物，纳米片的损坏或与纳米片本身相邻的源 / 漏极的选择性损坏。”Cross 说。

挑战不止如此。Onto's Hoover 说：“形成沟道需要对板高、拐角腐蚀和沟道弯曲进行单独控制。”

高 k / 金属栅材料沉积在结构中，最后形成铜互连，从而形成纳米片 FET。“其他可能改变的模块是设备的底部隔离和用于容纳纳米片的功能性金属 / 层，但是这些模块主要依赖于行业中已知 / 开发的工艺。

当然，即便不是全新的模块，实现也变得越来越困难。

高迁移率器件

第一代纳米片 FET 将是基于硅的沟道。这些纳米片理论上优于 FinFET，但并非总是如此。

“从 FinFET 到纳米片，我们已经观察到电子迁移率(对于 nFET)有显著的提高。问题将是 pFET 空穴迁移率下降。这就是我们需要解决的问题，” IBM 设备与单元流程研发经理 Nicolas Loubet 在演讲中说。

换句话说，芯片制造商需要提高纳米片中的 pFET 性能。因此，供应商正在开发有改进的 pFET 第二代纳米片 FET。第二代纳米片材将继续提供基于硅的沟道用于 nFET，因为它们能够提供足够的性能。

为了提高 pFET，芯片制造商正在研究高迁移率沟道材料。更具优势的材料是 SiGe，而 III-V 族材料，锗和其他材料也正在研发中。

英特尔设备工程师 Ashish Agrawal 在论文中说：“由于其优异的空穴迁移率，以及考虑到批量生产的成熟工艺，Strained SiGe 最近成为有希望的 pFET 沟道来替代硅。”

为了加入这些材料，芯片制造商在晶圆厂中实施了所谓的应变工程工艺。应变是一种施加到硅上以改善电子迁移率的应力。

应变工程工艺并不新鲜，多年来，芯片制造商一直在沟道中使用 SiGe 合金应力以提高载流子迁移率。IBM 高级研究员 Shogo Mochizuki 表示：“应变工程已成为 CMOS 技术的关键技术之一。从 90nm 节点开始，源极 - 漏极外延生长会在沟道中应变，有助于电子迁移。而且，在 FinFET 中仍然被使用。”

因此，芯片制造商自然会在下一代 GAA 晶体管中引入应变 SiGe 沟道材料，但有一些新的挑战。

“我们建议用沟道 SiGe 代替沟道硅，这可以帮助增加移动性。此外，这项创新技术还帮助超低阈值器件获得了卓越的可靠性，这是源漏外延基本应变技术无法提供的。” Mochizuki 说。“使用新型沟道材料的纳米片所面临的最大挑战是确保材料的均匀性和结构完整性，以及确保新型沟道材料与工艺兼容。”

最重要的是，有几种方法可以开发 SiGe pFET 沟道，包括先形成沟道后形成沟道。

在 IEDM 上，英特尔发表了一篇关于在应变松弛缓冲器(SRB)上的 SiGe 纳米片 pMOS 器件的论文。纳米片沟道基于压缩应变的 SiGe 和 Si0.4Ge0.6 的混合物。pMOS 器件由 5nm 的片厚和 25nm 长的栅极组成。

沟道形成发生在常规纳米片工艺的早期阶段。从许多方面来说，这是 SiGe 沟道优先处理。

英特尔的工艺始于 300mm 基板，在基板上生长基于 SiGe 的 SRB 层。然后，在 SRB 层上生长压缩 Si0.4Ge0.6 和拉伸硅的交替层。

这将创建一个超晶格结构，该结构构成 pFET 的 SiGe 沟道的基础。英特尔公司的 Agrawal 说：“在这项工作中，我们展示了一个埋入式 Si0.7Ge0.3 SRB 整体应力源，可在 Si0.4Ge0.6 pFET 纳米片中引起压缩应变，从而增强了空穴传输。”

SRB 的另一个术语是虚拟衬底。传统上，硅衬底决定了沉积或生长在其顶部的所有外延层的晶格常数。

沟道和源极 / 漏极中应变的性质取决于该层相对于硅衬底之间的晶格常数的相对差异。Agrawal 说，“对于 SRB 或虚拟衬底，我们通过在硅衬底顶部生长松弛的 Si 0.7 Ge 0.3 缓冲层来改变衬底本身的晶格常数。沉积在该缓冲层顶部的所有后续层将相对于 Si 0.7 Ge 0.3 应变。通过改变松弛 Si 0.7 形式的衬底晶格常数 Ge 0.3 缓冲液，我们可以实现应变纳米片 CMOS。”

其他公司则采取不同的方法。例如，在 IEDM 上，IBM 发表了一篇用后形成沟道工艺在带有应变 SiGe 沟道的纳米片 pFET 的论文。

使用这种方法，IBM 的 pFET 纳米片峰值空穴迁移率提高了 100%，相应的沟道电阻降低了 40%，同时将次淋姐电压值斜率保持在 70mV / dec 以下。

IBM 在流程的后半部分而不是在一开始就形成 SiGe 沟道。“我们意识到，在此过程的早期就开始进行 SiGe 生长外延对应变是无效的。这也给制造过程带来了复杂性和成本。” IBM 的 Mochizuki 说。“通过我们的新技术，SiGe 层中的应变得以保留。发生这种情况的原因是此过程基于 SiGe 外延后向方案，对于提高性能至关重要。

更具体地说，IBM 在沟道释放过程之后开发 SiGe 沟道。沟道释放后，水平和垂直修整硅纳米片。然后，在修整后的硅纳米片周围选择性包裹一个 SiGe 层，称为 SiGe 覆层。Mochizuki 说，“最终的结构是带有薄硅纳米片芯的 SiGe 覆层。通过将载流子限制在 SiGe 覆盖层内，可以在应变的 SiGe 沟道层中提高载流子迁移率。”

结论

GAA FET 面临几个制造挑战，而且成本非常高昂，以至于尚不清楚有多少芯片制造商能够负担得起。幸运的是，它不是唯一选择。先进的封装和新的架构肯定会在当前和未来的设备中发挥更大的作用。

没有一种技术可以满足所有需求。因此，至少就目前而言，这些都是选择。