米乐(中国)官方网站 阐明14 nm代三维晶体管特性变化的主要原因

独立行政机构国立产业技术综合研究所[野间口裕会长]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部部长Masatake Kanamaru]硅纳米器件组首席研究员Takashi Matsukawa、研究组组长Akiyoshi Shohara等人14 nm 一代三维晶体管(FinFET)导通电流变化得到澄清。

　晶体管导通电流变化的因素是阈值电压变化，寄生电阻变化，跨导这是变异。通过详细分析每个因素的贡献，我们发现在 14 纳米一代 FinFET 中，互导变化是导通电流变化的主要原因。还预测，如果硅直立沟道（鳍沟道）加工精度较高，则导通电流变化将会减小。此外，我们提出了一种可有效减少变化的翅片通道加工方法。 14 nm 代及更高版本静态随机存储器(静态随机存取存储器）人们一直认为导通电流变化超过允许量的晶体管会导致电路操作故障，导致器件成品率降低，这一结果有望有助于解决这一问题。

　该技术的详细内容将于2011年12月5日至7日（当地时间）在美国华盛顿特区举行的国际电子器件大会（2011 IEDM）上公布。

图 1 3D 晶体管的导通电流变化因素（左）和 14 nm 代的变化预测（右）

迄今为止，硅集成电路通过最小化其最小组成单元晶体管，实现了更高的性能和更高的集成度。由于器件小型化也导致成本降低，微器件开发竞争持续激烈。然而，随着预计2017年后上市的14nm晶体管技术，由于其尺寸较小，元件之间的特性差异问题将变得明显，并且有人担心产品良率将大幅下降。除此之外，系统LSISRAM占微处理器面积的50%以上，使用许多尺寸最小的晶体管，因此很容易受到特性变化的影响。因此，强烈要求开发特性变化较小的精细晶体管。

　AIST 一直在推动一种名为 FinFET 的新型晶体管结构的研究，该结构具有三维结构。我们还提出了一种带有附加端子的四端子FinFET，以电控制器件特性，并于2003年成功验证了其操作。此外，2008年，他提出金属栅电极材料的物理特性变化是FinFET特性变化的新原因，2010年，他提出了一种可以减少物理特性变化的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺。AIST 新闻稿，2010 年 6 月 15 日）。此后，我们持续进行研究和开发，以抑制 FinFET 特性的变化。

　这项研究和开发是受独立行政机构新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托进行的“新型纳米电子半导体材料和新型结构纳米电子器件技术的开发（2009-2011）”项目的一部分。

图 2 显示了 FinFET 电气特性的实际测量变化。针对栅极长度为 80 nm、鳍片厚度为 25 nm 的 48 元件 FinFET 评估了变化。传统上，阈值电压变化被认为是导通电流变化的主要原因，其与集成电路的性能直接相关。图 2 左侧显示了阈值电压变化的影响。然而，即使阈值电压变化相等，水平轴表示栅极电压和阈值电压之间的差，从图2右侧可以看出，由于互导变化，也会出现导通电流变化。

图2 导致导通电流变化的阈值电压变化和互导变化

因此，从电气特性出发，我们评估了三个参数的变化：阈值电压变化、寄生电阻变化和互导。通过详细分析三个参数之间的相关性、它们与每个导通电流的相关性以及与元件尺寸的相关性，我们能够获得三个独立变化因素对导通电流变化的贡献率以及由于元件尺寸减小而增加趋势的预测。因此，虽然可以通过减小栅极绝缘膜厚度来减少阈值电压变化的影响（2010年6月15日，AIST新闻稿），但通过元件微细化很难减少互导变化，因此随着元件进一步微细化，它已成为一个重要因素，并且预测在14 nm一代FinFET中，互导变化将成为导通电流变化的主要原因（图3）。

图 3 14 nm 代 FinFET 中导通电流变化的因素（左）及其贡献（右）

　此外，我们还测量了使用普通加工技术（干法蚀刻技术）形成的鳍通道FET和使用AIST开发的纳米湿法蚀刻技术形成的FET的互导变化。关于实际测量的互导变化如图4所示佩尔格罗姆情节佩尔格罗姆该图被广泛用作晶体管特性变化的指标，横轴表示栅极面积平方根的倒数，纵轴表示跨导的变化率（标准偏差/平均值）。图 A 的斜率_通用是减小门尺寸时变化的增加率，这个 A_通用即，特性偏差被抑制得越小。研究发现，使用纳米湿法蚀刻技术对硅鳍通道进行高精度加工可减少跨导变化。

图4 互导变化的评估结果

图5显示了利用纳米湿法蚀刻技术减少互导变化的机制。进一步分析实测跨导变化的原因，移动性我们发现变异是主要因素。渠道内的流动性载流子散射频率确定当使用普通干法蚀刻技术加工鳍片时，鳍片的侧表面也具有反映抗蚀剂粗糙度的不规则性。此外，在加工过程中，等离子体会对鳍片通道造成损坏和缺陷电荷。这些是载流子散射体，充当13521_13715|并降低流动性。然而，在传统的处理技术中，元件之间会出现散射体密度的变化，从而导致迁移率的变化。另一方面，采用纳米湿法刻蚀技术加工不会对鳍片通道造成损伤，鳍片侧面变得极其光滑。因此，认为散射体的密度保持较低，并且抑制了由此引起的迁移率的变化和互导的变化。

图5利用纳米湿法蚀刻技术减少互导变化的机理

　图 6 显示了 14 nm 代 FinFET 导通电流变化的预测结果以及每个因素的贡献。当采用普通干法刻蚀技术制作鳍片通道时，主要因素是互导的变化，导致导通电流变化较大。然而，如果使用纳米湿法蚀刻技术高精度地加工鳍通道，则预计互导的变化将保持较低并且导通电流的变化将减少。

图 6 预测每个因素对 14 nm FinFET 导通电流变化的影响

　这项研究的结果为14nm代之后变得更加严重的晶体管特性分散性提供了解决方案，并被认为有助于解决SRAM等集成电路产量下降的问题。

　未来，我们将使用 FinFET 制造集成电路，并旨在展示电路级别的良率改进。

◆14纳米一代

国际半导体技术路线图(ITRS，半导体国际技术路线图）的方式在市场上发布的晶体管及布线规范（晶体管尺寸、电气特性、布线间距等）的行业名称是14纳米晶体管技术，“14纳米”是指该规范下的最小加工尺寸（通常是栅极布线的宽度或间距）。另一个名称是最小金属走线间距长度的一半 (马力，半节距)，也称为竖琴音高 17 nm 一代。目前商用的最新集成电路采用 32 nm 代（竖琴音高 45 nm 代）晶体管技术。[返回来源]

◆FinFET

鳍式多栅极场效应晶体管。一种双栅场效应晶体管，采用直立沟道，消除了平面双栅场效应晶体管两个栅极对齐的困难。因其直立的硅通道酷似鱼鳍，故称为鳍状。[返回来源]

◆导通电流变化

导通电流是指晶体管导通时流过的漏极电流值。导通电流越高，电路运行速度越快。当芯片内的元件之间的导通电流不同时，芯片的性能受到具有最低导通电流的元件的限制。[返回来源]

◆阈值电压

晶体管充当开关，通过向栅极施加一定的电压，在两个电极（源极到漏极）之间导通。此时，电流开始在两个电极之间流动的最小栅极电压称为“阈值电压”，是决定晶体管性能的参数之一。[返回来源]

◆寄生电阻

寄生电阻是源、漏、栅电极本身的内阻，其电阻值受其材料和结构的影响。在晶体管中，源极和漏极中的寄生电阻会因导通电流的减小而导致性能下降。此外，由于寄生电阻的变化，导致导通电流发生变化。因此，如何抑制尖端晶体管中的寄生电阻已成为重要的技术问题。[返回来源]

◆互导

决定晶体管性能的参数之一，表示施加高于阈值电压的栅极电压时漏极电流的增加率。跨导由晶体管尺寸和迁移率决定。跨导的变化会导致恒定栅极电压下导通电流的变化。[返回来源]

◆SRAM(静态随机存取存储器）

静态随机存取存储设备。一种可以随时写入和读取的半导体存储器件。 DRAM不需要被称为刷新的存储器内容的重写操作，并且能够高速运行。 SRAM 器件中保存一位内存的最小组件（单元）目前是标准 CMOS (互补 MOS，互补金属氧化物半导体结构），它由六个晶体管组成。因为它是易失性存储器，所以当电源关闭时信息就会丢失，就像 DRAM 一样。[返回来源]

◆系统LSI

大规模集成电路，将多种功能的电路集成在一块芯片上，并作为一个系统运行（大规模集成）。它将被开发为构成便携式电子设备核心的半导体元件。它们通常包含 SRAM，用作临时存储。[返回来源]

◆佩尔格罗姆情节

PM 佩尔格罗姆提出的色散强度的图例如，如果阈值电压变化是由诸如杂质统计变化之类的随机事件引起的，则阈值电压V_第的标准差 σ(V_第)与栅极面积(沟道长度L×沟道宽度W)的平方根的倒数成正比。佩尔格罗姆图中，横轴为 1/(LW)^1/2，纵轴为 σ(V_第)，其斜率通常用作表示特征变异强度的指标。这次，我们将这种分析方法应用到互导（Gm），以及它的斜率A_通用被用作特征变异强度的指标。[返回来源]

◆移动性

表示载流子在半导体内流动难易程度的指数。半导体中载流子的移动速度V与施加的电场强度E(V=μE)成正比，比例系数μ[cm²/Vs]称为移动性。当施加相同大小的电场时，迁移率越大，载流子的行进速度越大，电流也越大。它受载流子散射频率的影响，散射频率越低，迁移率越高，在恒定电场下电流越大。[返回来源]

◆载流子散射频率

当载流子由于电场而在半导体中移动时，它们会被半导体中的杂质、晶体缺陷、半导体表面的不规则性以及晶格的热振动所散射。散射频率越低，越多的载流子可以在保持高速的情况下穿过半导体。上述迁移率具有与载流子的散射频率成反比的关系。[返回来源]

◆载流子散射体

引起载流子散射的因素中，是指半导体中的杂质、晶体缺陷、半导体表面凹凸不平等结构因素。[返回来源]