先進制程晶圓制造工藝挑戰之一GAA器件模型

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-08-13 12:07:53 733

3納米工藝節點中的GAA晶體管帶來了顯著的技術挑戰。提取電氣特性需要新的方法和工具，以應對其復雜的三維結構和對工藝變異的敏感性。同時，新的物理失效模式也需要在設計和制造過程中加以重視，以確保晶體管的可靠性和性能。3納米晶圓制造工藝中的“Gate all-around (GAA) transistors”所帶來的新提取要求和物理失效模式是一個復雜的問題。

1. 理解什么是“Gate all-around (GAA) transistors”。

傳統的晶體管（FinFET）：在10納米及以上的工藝節點中，FinFET是一種常見的晶體管結構。在這種結構中，柵極（Gate）圍繞著鰭狀結構的三個側面進行控制，類似于一個“U”字形包圍。

Gate all-around (GAA)晶體管：在更小的節點（如3納米）中，GAA晶體管進一步優化了FinFET的設計。柵極完全包圍著導電通道，從四個方向控制電流。這種設計可以更好地控制漏電流，并提高晶體管的性能和效率。

2. 挑戰一：GAA晶體管的結構變化帶來了新的提取要求。

復雜的三維結構：由于柵極完全包圍通道，GAA晶體管具有比FinFET更復雜的三維結構。這種復雜性使得提取電氣特性（如電容、電阻等）的難度大大增加。

精確建模：在設計和模擬過程中，需要精確建模GAA晶體管的電氣行為。這要求更復雜的計算方法和工具，以確保模型能夠準確反映實際的晶體管性能。

工藝變異影響：GAA晶體管對制造過程中微小的工藝變異（如材料厚度、形狀不均勻等）更加敏感。這些變異會影響晶體管的電氣特性，因此在提取過程中需要特別關注這些細節。

3. 挑戰二：GAA晶體管的新結構也引入了新的物理失效模式。

應力集中：由于GAA晶體管的柵極完全包圍通道，在制造過程中可能會在某些區域產生應力集中。這些應力集中點可能導致材料疲勞或斷裂，影響晶體管的可靠性。

熱管理問題：GAA晶體管的密度更高，熱量更集中，這對晶圓的散熱能力提出了更高的要求。如果熱量無法有效散出，可能導致晶體管過熱失效。

界面缺陷：柵極和通道之間的界面更加復雜，這可能引入更多的界面缺陷。這些缺陷會影響電流的流動，導致晶體管性能下降，甚至失效。

圖：(a) 平面FET，(b) FinFET， (C)具有三個垂直堆疊硅通道的體型GAA NS FET，以及(d) 體型GAA NS FET的源漏區切面圖

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