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先进制程晶圆制造工艺挑战之一GAA器件模型

先进制程晶圆制造工艺挑战之一GAA器件模型

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-08-13 12:07:53 743

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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