新的溝道材料替代硅將什么時間開始?目前尚難回答，但是有些事肯定會發(fā)生。

芯片制造商正在由平面型晶體管向3D的finFET工藝轉(zhuǎn)移，英特爾早在2011年的22nm時就已經(jīng)向finFET過渡，如今己是第二代finFET14nm,而其它代工商也已分別進入16/14nm finFET制程的戰(zhàn)斗。

未來下一代工藝制程非常可能趨向于10nm及7nm的finFET結(jié)構(gòu)，但是由于硅材料自身可能提升的功能受限，為了制造更快的芯片,可能要解決finFET工藝制造中的核心部分，即溝道材料。

溝道材料面臨新挑戰(zhàn)

事實上，芯片制造商目前正修訂他們的溝道材料計劃,但面臨許多挑戰(zhàn)。

最初芯片制造商關注兩類材料，包括鍺及 III-V族化合物,將其作為7nm時的溝道材料。鍺及III-V族元素由于它們的電子遷移率高，可以加快在溝道中的移動速度，用來提高器件的頻率。但是 由于材料性質(zhì)的不同，鍺和III-V族元素如何從工藝上與硅材料兼容成為一大挑戰(zhàn)。

為此,全球半導體業(yè)正在尋求解決方案,包括對于PFET中的鍺硅及NFET中的應變硅材料。目前產(chǎn)業(yè)界正在努力，鍺及III-V族元素都在研發(fā)之中。

時至今日，芯片制造商一直面臨十分困難的決 定。首先是什么時間向新的溝道材料過渡，目前看最可能是7nm，也可能先在10nm時作個探索。其次是作為芯片制造商必須要具備與硅材料兼容的工藝。最后 是要在五類不同候選材料中進行選擇，包括外延、選擇性外延、硅片粘合、冷凝、融熔與再生長。

未來最可能的候選者是空白外延(Blank)及選擇性外延。因為傳統(tǒng)的外延設備可用來生長單晶薄膜。ASM國際的技術主管Ivo Raaijmakers認為兩種方法都可以，但是究竟那種好尚難定論。

Lam Research的院士Reza Arghavani認為，外延是一種緩慢生長及復雜的工藝過程,正在推動產(chǎn)業(yè)尋找替代的方法。有些方法可能成本太高,目前尚在研發(fā)之中。

跳進溝道之中

溝道材料這一段時間以來一直是個熱門的話題。溝道是一個連接MOS器件源與漏之間的一個導電區(qū)域。當一個MOSFET晶體管在導通時柵電容器加在溝道上的電壓會產(chǎn)生一個反型層，使少數(shù)載流子在源與漏之間很快通過。反之則晶體管關閉。

溝道材料中發(fā)生大的改變是在90納米工藝，那時全球工業(yè)界開始引入應變硅材料。芯片制造商采用外延工藝在PMOS晶體管形成中集成了SiGe的應變硅，或者稱讓晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。這樣可以通過增加空穴的遷移率來達到增大驅(qū)動電流。

芯片制造商同樣可以采用外延工藝在20納米的NMOS中集成應變硅工程，以此來增加驅(qū)動電流。

格羅方德的先進工藝結(jié)構(gòu)院士Strinivas Banna認為，直到今天，挑戰(zhàn)已十分清楚,在硅材料中采用應變硅工藝已經(jīng)受到限制。尤其在PMOS中應變工程己經(jīng)達到硅的最大允許極限，而在NMOS中可能稍好些。

相信芯片制造商在10nm或者7nm工藝時溝 道材料必須要作改變。在一段時間中曾認為首選是在PMOS中采用Ge,以及NMOS中采用InGaAs材料。因為Ge的電子遷移率可達3,900cm平方 /Vs，而相比硅材料的為1,500cm，InGaAs的電子遷移率可達40,000cm平方/Vs。

盡管Ge和III-V族元素的遷移率高但是工藝集成都存在困難，尤其是在硅材料上生長InGaAs材料更是挑戰(zhàn)。Banna認為材料的晶格結(jié)構(gòu)不同是最大的難點。即便對于Ge材料，晶格結(jié)構(gòu)的差異稍少，但是也面臨根本性的問題，必須在鍺上生長一層氧化層。

目前半導體業(yè)正尋求簡單的方法，芯片制造商可 能在10nm或7nm時在PMOS中采用SiGe,這取決于公司及要求。而對于NMOS，更多傾向于應變硅,顯然也會采用Ge的混合物。應用材料的 Adam Brand認為，目前依SiGe己經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)的最好數(shù)據(jù)結(jié)果，在未來的工藝節(jié)點中IV族元素有可能摻入進來。

例如芯片制造商必須尋找硅和鍺的合適比例的混合物，在PMOS中采用SiGe。Sematech已經(jīng)用75%硅及25%鍺做成的SiGe基PFET，取得好的結(jié)果。

但是應變硅工程不是簡單地找出一個合適組份的事,開始時Ge與硅有4%的晶格不匹配。雖然晶格的不匹配性小容易工藝集成，但驅(qū)動電流增加也不大。

通常芯片制造商認為，在SiGe混合物中增加Ge的含量可能會增加載流子的遷移率，但是從工藝集成方面會帶來困難。另外，采用finFET工藝可以增加鰭的高度，從而增強驅(qū)動電流。格羅方德的Banna認為，在材料的本征強度與鰭的高度之間需要作出妥協(xié)。

正確的工藝選擇

未來需要找出合適的工藝來集成這些材料，有兩種工藝可供選擇，空白(blank)及選擇性外延。所謂空白外延即外延材料在整個表面，而另一種僅生長在表面的選擇區(qū)域。

按專家看法，兩種方法都需要使用外延設備，盡管可以生長但是速度很慢。如Ge溝道材料應用中，外延設備的產(chǎn)出量為每小時10-15片。為了保證生長層的質(zhì)量，必須采用更低的溫度，所以生長慢，這不是設備自身能解決的問題。

應用材料的Brand說無論空白或是選擇性外延，對于先進的溝道材料應用都是可以的，但是如果應變材料如SiGE達到30%，芯片制造商更多選擇的會是空白外延生長。

Brand表示，在源/漏及應變工程應用中，選擇性外延仍是關鍵工藝步驟。因為選擇性外延在開溝應用中實際上工藝實現(xiàn)是十分困難。

空白外延方法有些缺點，如芯片制造商需要除去不需要部分的淀積材料。通常芯片制造商采用付蝕方法除去材料。由此，空白外延會有更多的工藝步驟，增加成本。

從這樣的理由出發(fā)，選擇性外延得到青睞。 IMEC已經(jīng)用選擇性外延生長III-V族與其它材料。選擇性外延用在finFET結(jié)構(gòu)的工藝中，也可采用其它的混合材料。IMEC的邏輯器件研發(fā)部總監(jiān) AaronThean表示，這也是他們采用選擇性外延工藝的理由。但是，由此也帶來其它方面問題，因為材料之間作用會增加缺陷。

除了用外延生長方法之外，產(chǎn)業(yè)界正尋找其它的三種方法，硅片粘合、冷凝及融熔再生長。但是目前主流仍是外延生長。LamResearch的Arghavani認為，所有其它的方法仍在探索之中，最大的問題是成本。

硅片粘合包括兩步工藝，首先芯片制造商在一個捐贈硅片表面放上一層Ge，然而硅片翻過來把Ge捐贈層與主硅片粘合在一起，采用外延剝離工藝去除捐贈層。

制備帶低缺陷的捐贈硅片是個大挑戰(zhàn)。因為有任何缺陷都可能轉(zhuǎn)移至器件中。Arghavani指出，今天己不再采用硅片粘合waferbonding方法。

冷凝法主要用在PMOS及SOI結(jié)構(gòu)中。在實 驗室中，IBM及格羅方德己經(jīng)實現(xiàn)在3.3nm finFET中的應變Ge-on-insulator工藝。在冷凝法中采用外延工藝在SOI上生長應變SiGe層,接著硅片在一定溫度下進行Ge的冷凝工 藝,在器件的頂部生長一層氧化層,然后器件經(jīng)受再次的冷凝工藝。

還有一種方法己在帶圖形硅襯底上采用選擇性外延進行Ge的外延溝道材料生長，它是在毫秒激光退火工藝時利用Ge融熔及再生長工藝。

IMEC的Thean認為，考慮到鍺的冷凝法工藝有前景,但是鍺的融點低,尤其在很細線寬下,在融熔及再生長過程中它的問題會蔓延開來，這是問題。

綜上所述半導體業(yè)界必須仔細在10nm及7nm時從設備及材料,包括性能之間作出權(quán)衡。應用材料的Brand認為，盡管SiGe及某些外延工藝可能暫時占先,但是尚有許多未知數(shù)。作為芯片制造商仍在探索其它的多種方法。