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微电子所利用新型堆叠纳米片沟道表面处理技术研制成功接近理想开关的GAA晶体管

2025/5/3 12:01:10    19375
来源:中国科学院微电子研究所
摘要:微电子所集成电路先导工艺研发团队提出了一种与GAA晶体管纳米片沟道释放工艺完全兼容的低温臭氧准原子级处理(Quasi-Atomic Layer Etching, qALE)技术。
  【仪表网 研发快讯】堆叠纳米片全环绕栅(GAA)晶体管具有极佳的栅控特性、更高的驱动性能以及更多的电路设计灵活性,是主流集成电路制造继FinFET之后的核心晶体管结构。目前,三星电子(Samsung)、台积电(TSMC)与英特尔(Intel)等半导体巨头已经或者即将在3纳米及以下技术节点采用该器件进行工艺量产。然而,目前报道的堆叠纳米片GAA器件存在沟道界面态较大,难以实现理想亚阈值开关的难题,一个关键原因是新引入的GeSi/Si超晶格叠层在材料界面处,易受到集成热预算的影响产生Ge原子的扩散与再分布,导致纳米片沟道释放后在表面存在微量Ge原子残留,引起额外界面缺陷及载流子导电性能降低。
 
  针对这一挑战,微电子所集成电路先导工艺研发团队提出了一种与GAA晶体管纳米片沟道释放工艺完全兼容的低温臭氧准原子级处理(Quasi-Atomic Layer Etching, qALE)技术。该技术在纳米片沟道释放后,通过极薄厚度的臭氧自限制氧化与腐蚀反应,实现了对纳米片沟道表面残留的Ge原子精准去除,避免对内层Si沟道的损伤。研制的CMOS器件特性表明,采用低温qALE处理后,纳米片沟道的界面态密度降低两个数量级,晶体管亚阈值开关摆幅优化到 60.3 mV/dec,几乎接近器件热力学理论极限(60mV/dec),漏电流(Ioff)降低了66.7%,同时,由于处理后沟道表面电荷引起的载流子散射明显降低,晶体管开态电流(Ion)也提升超过20%。该研究工作为制备高性能的堆叠纳米片 GAA 器件提供了一种高效及低成本的技术路径。
 
  基于本研究成果的论文 “Record 60.3 mV/dec Subthreshold Swing and >20% Performance Enhancement in Gate-All-Around Nanosheet CMOS Devices using O3-based Quasi-Atomic Layer Etching Treatment Technique”(doi:10.1109/LED.2024.3524259)近期发表在 IEEE Electron Device Letters上,并成功入选成为该期刊的封面论文(图3)。微电子所研究生蒋任婕和桑冠荞为该论文的第一作者,张青竹研究员和殷华湘研究员为共同通讯作者。该项研究得到了中国科学院战略性先导专项(A 类)和国家自然科学基金的支持。
 
 
图1 低温臭氧准原子级腐蚀(qALE)技术和GAA晶体管沟道形貌
 
图2 沟道qALE处理的GAA CMOS晶体管电学特性

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