中國科學(xué)院微電子研究所先導(dǎo)中心研究員朱慧瓏及其課題組提出并實現(xiàn)了世界上首個具有自對準(zhǔn)柵極的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管。

   垂直納米環(huán)柵晶體管是集成電路2納米及以下技術(shù)代的主要候選器件，但其在提高器件性能和可制造性等方面面臨著眾多挑戰(zhàn)。在2018年底舉辦的國際集成電路會議IEDM上，來自IMEC的Ryckaert博士將垂直納米器件的柵極長度及溝道與柵極相對位置的控制列為關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

　　中國科學(xué)院微電子研究所先導(dǎo)中心研究員朱慧瓏及其課題組從2016年起針對相關(guān)基礎(chǔ)器件和關(guān)鍵工藝開展了系統(tǒng)研究，提出并實現(xiàn)了世界上首個具有自對準(zhǔn)柵極的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管（Vertical Sandwich Gate-All-Around FETs或VSAFETs），獲得多項中、美發(fā)明專利授權(quán)，研究成果近日發(fā)表在國際微電子器件領(lǐng)域期刊IEEE Electron Device Letters上（DOI: 10.1109/LED.2019.2954537）。

　　朱慧瓏課題組系統(tǒng)地研發(fā)了一種原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法，結(jié)合多層外延生長技術(shù)將此方法用于鍺硅/硅超晶格疊層的選擇性刻蝕，從而精確地控制納米晶體管溝道尺寸和有效柵長；首次研發(fā)出了垂直納米環(huán)柵晶體管的自對準(zhǔn)高k金屬柵后柵工藝；其集成工藝與主流先進(jìn)CMOS制程兼容。課題組最終制造出了柵長60納米、納米片厚度20納米的p型VSAFET。原型器件的SS、DIBL和電流開關(guān)比（Ion/Ioff）分別為86mV/dec、40mV和1.8×105。

　　該項目部分得到中科院集成電路創(chuàng)新研究院項目（Y7YC01X001）的資助。

　　左上：STEM頂視圖，用原子層選擇性刻蝕鍺硅的方法制作的直徑為10納米的納米線（左）和厚度為23納米的納米片（右）；右上：具有自對準(zhǔn)高k金屬柵的疊層垂直納米環(huán)柵晶體管(VSAFETs)的TEM截面圖（左）及HKMG局部放大圖（右）；下：pVSAFETs器件的結(jié)構(gòu)和I-V特性：器件結(jié)構(gòu)示意圖（左），轉(zhuǎn)移特性曲線（中）和輸出特性曲線（右）