3纳米工艺节点中的GAA晶体管带来了显著的技术挑战。提取电气特性需要新的方法和工具,以应对其复杂的三维结构和对工艺变异的敏感性。同时,新的物理失效模式也需要在设计和制造过程中加以重视,以确保晶体管的可靠性和性能。3纳米晶圆制造工艺中的“Gate all-around (GAA) transistors”所带来的新提取要求和物理失效模式是一个复杂的问题。
1. 理解什么是“Gate all-around (GAA) transistors”。
传统的晶体管(FinFET):在10纳米及以上的工艺节点中,FinFET是一种常见的晶体管结构。在这种结构中,栅极(Gate)围绕着鳍状结构的三个侧面进行控制,类似于一个“U”字形包围。
Gate all-around (GAA)晶体管:在更小的节点(如3纳米)中,GAA晶体管进一步优化了FinFET的设计。栅极完全包围着导电通道,从四个方向控制电流。这种设计可以更好地控制漏电流,并提高晶体管的性能和效率。
2. 挑战一:GAA晶体管的结构变化带来了新的提取要求。
复杂的三维结构:由于栅极完全包围通道,GAA晶体管具有比FinFET更复杂的三维结构。这种复杂性使得提取电气特性(如电容、电阻等)的难度大大增加。
精确建模:在设计和模拟过程中,需要精确建模GAA晶体管的电气行为。这要求更复杂的计算方法和工具,以确保模型能够准确反映实际的晶体管性能。
工艺变异影响:GAA晶体管对制造过程中微小的工艺变异(如材料厚度、形状不均匀等)更加敏感。这些变异会影响晶体管的电气特性,因此在提取过程中需要特别关注这些细节。
3. 挑战二:GAA晶体管的新结构也引入了新的物理失效模式。
应力集中:由于GAA晶体管的栅极完全包围通道,在制造过程中可能会在某些区域产生应力集中。这些应力集中点可能导致材料疲劳或断裂,影响晶体管的可靠性。
热管理问题:GAA晶体管的密度更高,热量更集中,这对晶圆的散热能力提出了更高的要求。如果热量无法有效散出,可能导致晶体管过热失效。
界面缺陷:栅极和通道之间的界面更加复杂,这可能引入更多的界面缺陷。这些缺陷会影响电流的流动,导致晶体管性能下降,甚至失效。
图:(a) 平面FET,(b) FinFET, (C)具有三个垂直堆叠硅通道的体型GAA NS FET,以及(d) 体型GAA NS FET的源漏区切面图
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