世界上首個具有自對準柵極的疊層垂直納米環柵晶體管的實現
從Intel首發22nm FinFET工藝之后，全球主要的半導體廠商在22/16/14nm節點開始啟用FinFET鰭式晶體管，目前全球最先進的半導體工藝已經進入7nm，下一步還要進入5nm、3nm節點，制造難度越來越大，其中晶體管結構的限制至關重要，未來的工藝需要新型晶體管。三星在去年率先宣布3nm節點改用GAA環繞柵極晶體管。基于全新的GAA晶體管結構，三星通過使用納米片設備制造出了MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效應管），該技術可以顯著增強晶體管性能，主要取代FinFET晶體管技術。基于上述信息也可以看出GAA環繞柵極晶體管的重要意義。這里，朱慧瓏課題組系統地研發了一種原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法，結合多層外延生長技術將此方法用于鍺硅/硅超晶格疊層的選擇性刻蝕，從而精確地控制納米晶體管溝道尺寸和有效柵長，首次實現了垂直納米環柵晶體管的自對準高k金屬柵后柵工藝。其集成工藝與主流先進CMOS制程兼容。所獲得的柵長約60 nm，納米片厚度20 nm的p型VSAFET。原型器件的SS、DIBL和電流開關比（Ion/Ioff）分別為86 mV/dec、40 mV和1.8x105。
Figure 1. VSAFETs的工藝流程。（a）Si/SiGe/Si之后的SEM圖，（b）RIE之后的3D結構SEM圖，（c）qALE之后的SEM圖，（d）HKMG沉積后的TEM圖。
Figure 2. VSAFETs的原理示意圖。（a）單個裝置的結構設計，（b）兩個裝置串聯連接的的測試結構。
Figure 3. 配有包覆HKMG的VSAFETs的STEM頂視圖。（a）方形橫截面納米線，（b）圓形橫截面納米線，（c）納米片。
Figure 4.柵極金屬在活性離子刻蝕后（RIE），（a）VSAFETs的SEM圖：納米片裝置的HKMG和（b）與柵極的局部連接。
Figure 5.（a）pVSAFETs器件的結構和I-V特性，（a）轉移特性曲線和（b）輸出特性曲線。
該研究工作由中科院微電子所先導中心朱慧瓏研究員課題組于2019年發表在國際微電子器件領域的頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》上。原文：Vertical Sandwich Gate-All-Around Field-Effect Transistors with Self-Aligned High-k Metal Gates and Small Effective-Gate-Length Variatio（DOI: 10.1109/LED.2019.2954537）
