独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任 Masatake Kanamaru] 硅纳米器件组首席研究员 Wataru Mizubayashi 和研究组组长 Akio Shohara 将与 Nissin Ion Equipment Co, Ltd [总裁 Norio Nagai] 合作14 nm 一代之后FinFET源极/漏极我们开发了一种成型技术。
对于 14 nm 代及以后的 FinFET，最大的挑战是在超薄（10 nm 或更小）硅鳍中形成低电阻源极和漏极。通常，使用杂质来降低电阻离子注入但在鳍片部分，注入时会产生晶体缺陷，电阻增大。由于难以消除这些晶体缺陷，因此难以降低电阻。新开发的高温离子注入技术将杂质离子注入超薄鳍片部分，而不会产生晶体缺陷，从而可以降低电阻。此外，FinFET的可靠性也得到显着提高。新开发的技术有助于解决在 14 纳米及更新一代 FinFET 中形成低电阻源极和漏极的问题。
该技术的详情将于2013年12月9日至11日在美国华盛顿特区举行国际电子器件会议(IEDM)
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室温离子注入和高温离子注入及热处理后超薄硅层晶态示意图
图中的BOX是二氧化硅(SiO2)，如+是砷离子，BF2+是二氟化硼离子 |
迄今为止，硅集成电路通过将作为其最小组成单元的晶体管元件小型化，实现了更高的性能和更高的集成度。由于元件的小型化也导致成本降低，微型元件的开发竞争持续激烈。然而，随着14纳米晶体管技术预计在2017年后及以后上市，最大的挑战是超薄鳍的源极/漏极电阻的贡献变得更加明显。由于电阻增加会导致晶体管性能下降，因此迫切需要形成低电阻源极和漏极的技术。
迄今为止，AIST一直在研究和开发一种名为FinFET的新型晶体管结构。 2003年，我们开发了4端FinFET，可以独立控制栅极，并且可以电控制阈值电压（V）第）2003 年 12 月 9 日 AIST 新闻稿）。 2012年，V第的变化，我们通过使用非晶金属栅电极代替通常的多晶金属栅电极，成功地显着减少了变化。2012 年 12 月 12 日 AIST 新闻稿）。目前，我们正在继续进行工艺技术的研发，以进一步提高FinFET的性能。
图 1 显示了 FinFET 的示意图。如果源极和漏极的电阻较大，则晶体管工作时的压降会很大，作为性能指标的漏极电流也会降低。实现高性能 FinFET 需要形成低电阻源极和漏极的技术。形成源极和漏极的常用方法是离子注入杂质，然后通过热处理激活注入的杂质。然而，该方法存在超薄鳍部的源极/漏极部的电阻增大的问题。
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| 图1 FinFET与源漏电阻示意图 |
图2为传统室温离子注入与新开发的高温离子注入对比示意图。在传统的室温离子注入的情况下，离子注入后的整个鳍片部分是非晶态分层。由于几乎没有晶体层，因此后续活化热处理晶体中有很多缺陷吗？多晶，这会导致电阻增加。高温离子注入是一种即使在离子注入之后也能保持结晶层的方法。虽然高温离子注入可以保持鳍部分的结晶层，但它比室温离子注入产生更多的缺陷。在传统的平面晶体管中，即使在高温离子注入之后进行热处理，晶体也可能无法恢复或者缺陷可能残留，导致晶体管性能下降。因此，高温离子注入尚未用于平面晶体管。但由于FinFET的鳍片很薄，高温离子注入过程中产生的缺陷可以通过热处理从鳍片上去除，解决残留缺陷的问题。如图2所示，在FinFET中进行高温离子注入的情况下，热处理消除了缺陷并将晶体恢复为无缺陷晶体，从而导致电阻显着降低。也就是说，高温离子注入有望形成无缺陷且低电阻的源极和漏极。
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| 图2采用传统室温离子注入和新开发的高温离子注入形成FinFET源/漏的示意图 |
12334_12566双胞胎等形成（图3）。这会导致源极/漏极电阻增加。
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| 图3 室温离子注入激活热处理前后硅层的晶态 |
在500℃的注入温度下进行高温离子注入。即使在离子注入之后，整个硅层仍保持结晶层（图 4）。由于这些是晶体恢复所需的种子，即使在11 nm的超薄硅层中，也可以通过热处理恢复晶体，从而形成无缺陷的晶体层。由于这导致源极/漏极的电阻降低，因此可以通过高温离子注入在超薄鳍部中形成无缺陷、低电阻的源极/漏极。
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| 图4 高温离子注入时活化热处理前后硅层的晶态 |
接下来，我们评估了高温离子注入对 FinFET 可靠性的影响（图 5）。当对栅极施加恒定电压时，根据阈值电压随时间的变化来评估可靠性。结果发现，高温离子注入引起的FinFET阈值电压变化小于室温离子注入引起的FinFET阈值电压变化，表明可靠性得到改善。换句话说，可以通过高温离子注入来制造高可靠性的FinFET。这些结果表明，高温离子注入是一种很有前途的技术，用于在 14 nm 代及以后的 FinFET 鳍片部分形成源极和漏极。
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| 图5 由于室温离子注入和高温离子注入导致FinFET阈值电压随时间的变化 |
未来，我们将优化FinFET制造工艺并开发量产设备，将高温离子注入应用于量产FinFET制造工艺。