科研前線 | 芯片自熱新解，韓國團隊試水GAA器件全接觸結(jié)構(gòu)

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近日，韓國首爾大學(xué)團隊于IEEE TED上發(fā)表了針對基于三溝道GAAFET器件的Wrap-Around Contact結(jié)構(gòu)改進的研究，其成果表明WAC結(jié)構(gòu)對于降低寄生電阻和自熱效應(yīng)，提升器件性能和可靠性方面確有成效，將助力先進工藝器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進。

在過去幾十年的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中，為了實現(xiàn)更高的集成密度和更好的電氣特性，晶體管微縮技術(shù)持續(xù)穩(wěn)步迭代。隨著傳統(tǒng)的平面場效應(yīng)管遭受嚴(yán)重短溝道效應(yīng)影響，多方向柵極結(jié)構(gòu)的FinFET和環(huán)繞柵的GAAFET器件結(jié)構(gòu)被提出并應(yīng)用于先進工藝節(jié)點。

盡管結(jié)構(gòu)改進成功地抑制了短溝道效應(yīng)的影響，但由于器件尺寸的不斷縮小，其他技術(shù)問題也紛沓而至，其中以自熱效應(yīng)（SHE）和寄生效應(yīng)尤為突出。

自熱效應(yīng)的嚴(yán)重性在于它會降低器件電性能，并引起HCI熱載流子效應(yīng)、柵介電壽命下降和BTI偏置溫度不穩(wěn)定性等可靠性問題。自熱效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重的原因之一是尺寸的縮小會使得聲子邊界散射增強。特別是在GAA結(jié)構(gòu)中，由于溝道被被SiO2、HfO2等低導(dǎo)熱材料包圍，進一步加劇了自熱效應(yīng)。在器件尺寸按技術(shù)路線縮小的同時，寄生電阻的影響也相應(yīng)增大，并在源級-漏級接觸的臨界尺寸減小，接觸電阻Rc會逐漸在寄生電阻中占據(jù)主導(dǎo)。而WAC*包裹觸點被認(rèn)為是一種有希望的降低寄生電阻的解決方案。

基于TCAD技術(shù)，首爾大學(xué)與釜慶大學(xué)聯(lián)合團隊研究了GAA MOSFET的電學(xué)熱血特性，其研究成果以“Investigation of Self-Heating Effects in Vertically Stacked GAA MOSFET With Wrap-Around Contact”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices三月刊，Seok Jung Kang為第一作者，Sangwan Kim為通訊作者。

*WAC，全稱wrap-around contact，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中頂部接觸結(jié)構(gòu)（top contact，以下簡稱TC），WAC結(jié)構(gòu)增大了與源級/漏極的接觸面積。

TC結(jié)構(gòu)（左）與WAC結(jié)構(gòu)（右）對比

研究團隊采用TCAD技術(shù)廣泛地研究了帶有WAC的垂直堆疊GAA的電學(xué)和熱學(xué)特性。結(jié)果表明，由于降低了寄生電阻和源漏電阻，WAC結(jié)構(gòu)器件相比與TC結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)通電流提升了74%，而熱阻降低了9.73%，改善了寄生效應(yīng)和自熱效應(yīng)對晶體管的影響。其主要研究內(nèi)容包括：

· 基于TCAD進行了器件設(shè)計和物理建模；

· 比較了WAC結(jié)構(gòu)與TC結(jié)構(gòu)的電、熱特性，對WAC的電特性進行了分析；

· 從熱阻(Rh)的角度對WAC/TC兩種結(jié)構(gòu)的自熱效應(yīng)和散熱效率進行了分析。

圖(a)TC結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b)WAC結(jié)構(gòu)示意圖 圖(c)WAC結(jié)構(gòu)的xz方向截面 圖(d)WAC結(jié)構(gòu)的yz方向截面

器件尺寸參數(shù)

器件熱學(xué)參數(shù)

TC（左）與WAC（右）結(jié)構(gòu)的熱分布圖

TC與WAC結(jié)構(gòu)的柵壓與電流曲線圖

研究表明，WAC結(jié)構(gòu)對于降低晶體管自熱效應(yīng)與寄生電阻方面卓有成效，具有更好的電氣特性和熱特性，能增加器件可靠性、緩解壽命衰減，有望被引入先進節(jié)點的器件結(jié)構(gòu)中，對于高性能計算和高能效應(yīng)用等積熱問題日趨嚴(yán)重的產(chǎn)品領(lǐng)域可能是一劑良方。

釜慶大學(xué)，全稱國立釜慶大學(xué)，1996年由1924年建校的釜山工業(yè)大學(xué)與1941年建校的釜山水產(chǎn)大學(xué)重組合并，是韓國BK21工程重點建設(shè)高校。

首爾大學(xué)，全稱國立首爾大學(xué)，是韓國一所綜合國立大學(xué)，全稱為國立首爾大學(xué)，是環(huán)太平洋大學(xué)聯(lián)盟、亞洲大學(xué)聯(lián)盟、東亞四大學(xué)論壇和東亞研究型大學(xué)協(xié)會成員，也是韓國頂級學(xué)府。

ISRC，全稱Inter-University Semiconductor Research Center，是首爾大學(xué)工學(xué)院下設(shè)的半導(dǎo)體研究中心，擁有生產(chǎn)線級的大型潔凈室和完整的半導(dǎo)體制造設(shè)備與實驗儀器。