近日，比利時微電子中心（IMEC）表示為在N3技術(shù)節(jié)點引入帶有垂直堆疊納米線和納米片的全環(huán)柵（GAA）晶體管的過程中取得的重大進(jìn)展。包括改進(jìn)的Si GAA器件、更好地理解鍺（Ge）納米線pFET中的應(yīng)變工程，以及對納米線FET可靠性和退化機制的全面理解。

在IEEE IEDM 2018會議上，比利時微電子中心（IMEC）首次展示了使用順序集成技術(shù)實現(xiàn)的在300mm晶圓上的3D堆疊FinFET，fin pitch和Poly pitch分別是45nm和110nm。頂層由無結(jié)器件組成，這些器件在低于525℃的溫度下、通過晶片到晶片鍵合轉(zhuǎn)移的硅層中制造。得到的堆棧演示了如何使用順序集成方法來獲得在先進(jìn)節(jié)點上的高密度器件。

研究成果讓人震驚

第一項研究顯示了工藝改進(jìn)如何顯著減少納米線尺寸，以及在不降低電性能的情況下改善形狀可控性。通過這些改進(jìn)，IMEC使Si GAA器件的垂直間距減小，開/關(guān)電流性能大幅提升，并且減少nMOS和pMOS器件的溝道空間。結(jié)果顯示環(huán)形振蕩器中門限延遲從24ps降低到10ps。第二項研究比較了鍺納米線pFET與鍺FinFET，展示了前者的顯著優(yōu)勢，主要是因為更優(yōu)化的應(yīng)變工程。這項工作的最初演示（在IEDM 2017上）已獲得Paul Rappaport獎。最后，n-、p-Si和p-Ge納米線FET在整個偏置空間中的廣泛映射允許表征各種退化度量并揭示多個主動退化機制。

GAA MOSFET是有望使柵長和柵距微縮至超越FinFET可能范圍的候選技術(shù)。與FinFET工藝過程相比，使用橫向納米線或納米片的工藝優(yōu)勢是不具破壞性。通過堆疊納米線或納米片，可實現(xiàn)給定面積下驅(qū)動電流的最大化。在這三項研究中，IMEC著眼于工藝優(yōu)化以及對GAA MOSFET中應(yīng)變工程和可靠性的更好理解。

順序3D集成（S3D）包括順序處理的器件層的垂直集成。該技術(shù)目的是提升芯片單位面積的器件密度，減少互連線的長度，并促進(jìn)異構(gòu)器件技術(shù)的協(xié)同集成。面臨的主要技術(shù)是頂層工藝面臨的有限熱預(yù)算。如果溫度太高，底層器件、互連層和晶片鍵合電介質(zhì)可能受到影響。但有限的溫度可能導(dǎo)致頂層性能下降和兩層之間的失配。

技術(shù)優(yōu)勢和前景廣闊

Imec首先使用具有45nm鰭距、110nm柵距和高k最后替代金屬柵極的300mm體硅FinFET流來制造底部器件。然后通過晶片到晶片的鍵合，將頂部硅層轉(zhuǎn)移到底部器件層上，其中鍵合電介質(zhì)疊層縮小到160nm。在該頂部硅層上，在低于525℃的溫度制造FinFET器件。最后，使用浸入式193nm光刻機完成最后的與底層互連的高精度對準(zhǔn)。由此產(chǎn)生的頂層器件的性能與低靜態(tài)功耗應(yīng)用（LSTP）的高溫體FinFET相當(dāng)。

IMEC知名技術(shù)成員Naoto Horiguchi評論道：“全環(huán)柵納米線晶體管是替代N5以下節(jié)點FinFET的有力候選者，且沒有太大的干擾。這些新結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化了實現(xiàn)這些晶體管的過程，并為我們提供了更多的理解，如關(guān)于最佳應(yīng)變工程和退化機制?！?/p>

該技術(shù)適用于在高性能底層器件上組合模擬UE/LSTP頂層器件。IMEC項目總監(jiān)Nadine Collaert評論：“通過這個過程，我們成功地解決了順序3D處理的許多突出挑戰(zhàn)。一個例子是我們使用193nm浸沒式光刻技術(shù)實現(xiàn)了首先處理的頂層與最后處理的底層的極精確對齊。這些結(jié)果證明了3D順序方法的適用于在未來的技術(shù)節(jié)點上提高設(shè)備密度。”