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《微电子所在新型垂直纳米环栅器件研究中取得突破性进展》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2019-12-13

  • 垂直纳米环栅晶体管是集成电路2纳米及以下技术代的主要候选器件，但其在提高器件性能和可制造性等方面面临着众多挑战。在2018年底举办的国际集成电路会议IEDM上，来自IMEC的Ryckaert博士1将垂直纳米器件的栅极长度及沟道与栅极相对位置的控制列为关键挑战之一。

    微电子所先导中心朱慧珑研究员及其课题组从2016年起针对相关基础器件和关键工艺开展了系统研究，提出并实现了世界上首个具有自对准栅极的叠层垂直纳米环栅晶体管（VerticalSandwichGate-All-AroundFETs或VSAFETs），获得多项中、美发明专利授权，研究成果近日发表在国际微电子器件领域的顶级期刊《IEEEElectronDeviceLetters》上（DOI:10.1109/LED.2019.2954537）。

    朱慧珑课题组系统地研发了一种原子层选择性刻蚀锗硅的方法，结合多层外延生长技术将此方法用于锗硅/硅超晶格叠层的选择性刻蚀，从而精确地控制纳米晶体管沟道尺寸和有效栅长；首次研发出了垂直纳米环栅晶体管的自对准高k金属栅后栅工艺；其集成工艺与主流先进CMOS制程兼容。课题组最终制造出了栅长60纳米，纳米片厚度20纳米的p型VSAFET。原型器件的SS、DIBL和电流开关比（Ion/Ioff）分别为86mV/dec、40mV和1.8x105。

    该项目部分得到中国科学院集成电路创新研究院项目（Y7YC01X001）的资助。

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相关报告

  • 《微电子所在新型硅基环栅纳米线MOS器件研究中取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-05-04
    • 中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心在面向5纳米以下技术代的新型硅基环栅纳米线（Gate-all-around silicon nanowire，GAA SiNW）MOS器件的结构和制造方法研究中取得新进展。 　　5纳米以下集成电路技术中现有的FinFET器件结构面临诸多挑战。环栅纳米线器件由于具有更好的沟道静电完整性、漏电流控制和载流子一维弹道输运等优势，被认为是未来可能取代FinFET的关键架构之一。近年来，将理想环栅纳米线结构和主流FinFET工艺结合发展下一代集成技术已成为集成电路深入发展的研发关键热点之一。如图1所示，目前国际报道的基于主流高k金属栅FinFET制造工艺形成堆叠纳米线器件的研发有两种不同方案：堆叠纳米线（SNW，IMEC）和堆叠纳米片（Nanosheet，IBM）技术。上述方案都需要在普通硅衬底上外延生长高质量的多层GeSi/Si结构，并在高k金属栅取代栅工艺中选择腐蚀GeSi或Si，最终在沟道中选择形成堆叠纳米线而在源漏中保持Fin结构。该技术在集成电路大规模制造中存在许多潜在的挑战: 须生长高质量、接近体硅质量无缺陷的多层GeSi/Si外延层；由于Ge元素在最前道集成步骤中引入，给后继工艺带来较低的工艺温度窗口限制以及较多的Ge原子沾污机会。 　　针对上述纳米线晶体管架构在集成电路发展应用中所面临的难题，微电子所研究员殷华湘带领的团队提出在主流硅基FinFET集成工艺基础上，通过高级刻蚀技术形成体硅绝缘硅Fin和高k金属栅取代栅工艺中选择腐蚀SiO2相结合，最终形成全隔离硅基环栅纳米线MOS器件的新方法。并在取代栅中绝缘硅Fin释放之后，采用氧化和氢气退火两种工艺分别将隔离的“多边形硅Fin”转化成“倒水滴形”和“圆形”两种纳米线结构。由于在该方法中，纳米线沟道由单晶硅衬底制作形成，导电沟道中材料晶格缺陷更少、界面质量更高。两种高k金属环栅纳米线晶体管都表现出很好的器件特性，其中通过氧化制备的“倒水滴形”环栅纳米线晶体管在16nm物理栅长（对应5nm及以下技术代）下，获得器件亚阈值特性SS=61.86mV/dec和DIBL=6.5mV/V，电流开关比大于1E8。SS和DIBL十分接近MOSFET的理论极限数值（60mV/dec和0mV/V），远超以往同类工艺制造的FinFET性能参数，也达到目前同类器件所报道的最高水平。同时，该类器件结构也可以通过同样的方法在多步刻蚀和取代栅工艺中制作成多层堆叠纳米线，该项研究工作正在进行中。这种不同于现有国际报道的制造方法具有完全自主知识产权，可为未来我国集成电路下一代关键技术的创新发展提供核心器件架构和制造工艺开发的多样选择。该工作以《通过一种先进工艺形成具有优异短沟道控制能力的新型p型环栅纳米线场效应晶体管》为题发表在国际微电子器件期刊《IEEE电子器件快报》上（IEEE Electron Device Letters，DOI: 10.1109/LED.2018.2807389），并被选为该期期刊首篇论文。 　　该项研究得到国家科技重大专项02专项和国家重点研发计划等项目的资助。
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  • 《苏州纳米所在半导体SERS研究中取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2017-12-20
    • 有一种元素，以单质分子形式构成了大气体积的 21% 、以化合物形式构成了地壳总质量的 48.6% ，这就是氧。因其活泼的化学性质及其较大的电负性，成就了自然界物种的多样性。自 1777 年由拉瓦锡发现以来，氧元素一直都是化学家的宠儿。如今在新兴的半导体 SERS 领域，它的重要性再一次被体现。 　　自上世纪 70 年代表面增强拉曼光谱（ SERS ）面世后，贵金属基底的引入将拉曼检测灵敏度提升了百万倍，克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱等缺点，使得拉曼检测在食品安全、环境监测、生命科学等领域得到广泛应用，并迅速成长为最为灵敏的表面物种现场谱学检测技术之一。然而，人们欣喜的同时却遗憾地发现， SERS 仅在金、银、铜等贵金属的粗糙表面才具有高活性，即需依赖贵金属表面电磁增强的 “ 热点 ” 效应，基底的选择十分有限；且实际应用中这种精细调制的材料结构易受环境因素干扰，稳定性差强人意。事实上，探索新型、高性能的非金属基底一直是 SERS 技术中最重要的研究方向之一。尤其近年来半导体化合物被证实具有 SERS 活性，其丰富的种类与化学组成引起人们极大的兴趣，但此类化合物作为 SERS 基底普遍较低的增强因子似乎成为难以突破的科研瓶颈。我们知道，基底材料所表现出的 SERS 性能来源于探针分子与其表面的相互作用，包括电磁增强（ EM ）与化学增强（ CM ）两种方式。通常认为金属材料中以电磁增强为主，而半导体化合物表面化学增强则起决定作用。正因为机制不同，半导体材料用作 SERS 基底的设计应遵循完全不同于现有的贵金属材料的研究理念。 　　最近，中国科学院苏州纳米所赵志刚研究员团队成功地发现了氧分子可以作为开启半导体化合物 SERS 性能宝藏的钥匙，即利用化合物化学组成可调的特点，巧妙地通过氧元素调控过渡金属化合物的化学计量组成或表面晶格氧浓度，来增强非（弱） SERS 活性材料表面物种的信号。 　　在此学术思想指导下，该研究团队首先选择自身富氧缺陷的 W 18 O 49 海胆状纳米粒子作为 SERS 基底，成功获得了高灵敏度和低探测极限的优异 SERS 性能。这种首次作为 SERS 基底的半导体材料对 R6G 分子的检测极限可低至 10 -7 M ，通过还原气氛（ H 2 、 Ar ）处理的方法进一步改变 W 18 O 49 的表面氧缺陷浓度，成功地将材料的 SERS 增强因子提升至 3.4 × 10 5 ，是现已报道的性能最为优秀的半导体 SERS 基底材料之一，并已接近无 “ 热点 ” 的贵金属材料。相比之下，化学计量比 WO 3 几乎没有 SERS 活性，这说明氧缺陷对于半导体氧化物的 SERS 性能有着至关重要的作用。 　　既然从晶格中拖出氧对材料 SERS 如此重要，那么反过来向晶格中插入氧又将如何？带着这个疑问，赵志刚研究员团队选择了硫化钼（ MoS 2 ）这种本身 SERS 性能微弱的硫族半导体材料，通过取代和氧化两种方式方便地实现其晶格中氧的插入。结果证实，适量的氧插入可使硫化钼的 SERS 活性提升 100,000 倍，但过量的氧掺杂会导致 SERS 活性大幅下降。此外，通过这种氧插入方法，硒化钨、硫化钨、硒化钼等多种化合物的 SERS 性能均可获得大幅增强，也就是说这种晶格氧调控的手段在提升半导体 SERS 性能方面颇具普适性潜力。 　　至此，晶格中的 “ 氧缺陷 ” 与 “ 插入氧 ” 对半导体 SERS 的增强作用已被统一，而理论计算结果更是指向了同一结论。该团队研究人员将化学增强的理论模型应用于半导体 - 有机分子体系，发现半导体材料晶格氧的增减可作为调控其能级结构的有效手段；其中 “ 氧缺陷 ” 会引入深能级作为电子跃迁的 “ 弹跳板 ” ，而 “ 插入氧 ” 将直接增加带边附近的电子态并伴随着禁带变窄；这些都将显著增加激光激发下半导体中电子跃迁的可能，并进一步通过振动耦合（ Vibronic Coupling ）作用于半导体 - 有机分子之间的电荷跃迁（ Charge Transfer ），影响基底表面所吸附有机分子的极化张力，从而增强其拉曼光谱响应。 　　以上工作证实了恰当地调制半导体化合物中的晶格氧，可作为显著提升其 SERS 性能的一种有效手段，突破常规 SERS 技术中贵金属基底的局限性，进一步拓宽半导体化合物作为基底材料在 SERS 检测中的应用范畴。系列研究成果相继以 “Noble metal-comparable SERS enhancement from semiconducting metal oxides by making oxygen vacancies” 与 “Semiconductor SERS enhancement enabled by oxygen incorporation” 为题于 2015 年 7 月 17 日、 2017 年 12 月 8 日在 Nature Communications 在线发表。 ( DOI:10.1038/ncomms8800& DOI: 10.1038/s41467-017-02166-z) 　　研究工作得到国家自然科学基金 (51372266, 51572286, 21503266, 51772319, 51772320) 、 江苏省相关人才计划 (BK20160011) 、 中国科学院青年创新促进会 等的资助和支持。
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