为高机动FinFETs做准备

由马克LaPedus
集成电路产业进入finFET时代在2011年,当英特尔超越竞争,推出新奇的22纳米晶体管技术节点。

英特尔希望增加其第二代finFET设备在14 nm到年底,计划到2015年推出其11纳米技术。希望与英特尔缩小差距,硅晶圆代工厂加速他们的努力介绍他们最初finFET过程在14 nm。和铸造厂已经定义了他们的下一代finFETs 10纳米。

芯片制造商面临着众多的挑战而言,增加他们的第一个——和下一代finFETs。但挑战,成本,可以在比较苍白当供应商finFET技术扩展到7和5 nm节点或可能超越。

从7海里,芯片制造商计划注入finFETs各种渠道的和异国情调的III-V材料提高流动性,指电子的速度可以通过移动设备。目前,该行业已经缩小的选项为5候选人高机动finFET时代:finFETs PFET与锗(Ge);finFETs与通用电气PFET和场效应电晶体;与通用电气finFETs PFET和III-V场效应电晶体的材料。

两种可能的剧透是隧道场效应晶体管(TFETs)和nanowire-based gate-all-around finFETs。“传统思维目前认为,我们将看到一个通用电气PFET InGaAs 7纳米场效应电晶体,”迪恩·弗里曼说,Gartner的分析师。“如果这个行业可以使硅纳米线,并创建一个使用硅晶体管和high-k /金属门,然后我们可以看到行业朝着这个方向前进。”

今天III-V材料本身存在,但许多相关制造技术还在起步阶段或根本不存在。抚养化合物半导体材料硅晶圆厂是一项巨大的任务。和能力设计和集成III-V finFETs符合成本效益的方式是说起来容易做起来难。说:“这不是一个简单的过程,吕克·范举起,IMEC的首席执行官。“我们谈论的是材料晶格常数不同。”

挑战让一些观察人士怀疑芯片制造商应该跳过高机动finFET时代和直接转移到更多的外来技术,如碳纳米管和石墨烯。也许最好的大道是堆叠的追求2.5 d / 3 d设备。

看着他的水晶球,加里•巴顿IBM半导体研发中心的副主席,两类3 d的方法,预测finFETs堆死,将有一个漫长而可行的未来。“3 d时代应该带我们进入了2020年,”巴顿说。“我预计finFETs将持续十年。但是在某些时候,我们达到原子尺寸的限制。然后,我们讨论的是硅纳米线和碳纳米管。和处理互连问题,我们必须讨论集成光子学在芯片和多个芯片堆叠在一起。这是在下一个十年。”

采取III-V
今天,该行业正朝着一个拐点。厂、20 nm代表中的最后一个节点平面时代,因为平面开始遭受不良的短沟道效应。所以,在14 nm,铸造厂将引入finFETs,比平面更好的短沟道静电特性。

今天的finFETs可能规模至少两代人到10纳米,说Subramani Kengeri, GlobalFoundries副现在先进的技术架构。在7海里,行业研究下一代基于III-V finFETs材料提供流动性增加,Kengeri说。

下一个障碍是,今天的应变硅技术是在压力之下。一段时间,芯片制造商使用了一个硅锗(锗硅合金)压力的渠道来提高载流子迁移率。“从90 nm和65 nm节点,source-drain地区种植使用锗硅外延工艺为了给设备带来压力,“IMEC的Van den霍夫说。“有压力,我们可以增加驱动电流和设备移动。finFET的结构,我们也可以这样做。但是这个空间是非常有限的,因为(困难)引入足够的应变那些微小的通道。另一种方式来提高驱动电流是通过使用材料本质上更高的机动性。这将减少功耗。”

第一个高机动设备预计将出现在7海里,与通用电气finFET的出现在p通道和拉伸硅n通道。通用电气3900 cm-square-over-vs的电子迁移率,比1400年cm-square-over-vs硅。

“但是锗在p通道并不是一个简单的过程,”亚伦说中国农历新年庆祝活动之前更换灯笼内,在IMEC逻辑项目的主任。“锗倾向于移动一次暴露于温度。因此,挑战是缺陷和设备的结构稳定性。表面钝化(high-k /金属门堆栈)也是非常棘手。”

该设备后,该行业将搬到新一代高机动finFET 7海里。第一个选项是一个finFET与通用电气为p和n通道。第二个选择是通用电气的p通道和铟砷化镓(InGaAs) n通道。12000 cm-square-over-vs InGaAs的电子迁移率。

中国农历新年庆祝活动之前更换灯笼内说,“竞争”这两个选项。“germanium-germanium选项需要压缩通用电气在p通道和放松紧张通用电气在n通道。门堆栈和掺杂剂激活有问题。”

英特尔和其他人则倾向于Ge-InGaAs选项。“InGaAs是我们正锁选项。它可以提供高机动性10 x和。这是一个更好的理解III-V材料。我不会说InGaAs很容易处理,但它不是作为材料处理的挑战,”中国农历新年庆祝活动之前更换灯笼内说。

另7海里的候选人是gate-all-around finFET(棉酚),可以有两个或两个以上的盖茨所包裹的纳米线通道。普渡大学,最近展示了棉酚finFET 20纳米通道的长度和亚阈值摆63 mv /十年。“与棉酚仍然存在很多挑战,“Jiangjiang Gu说一个博士生在普渡大学电子与计算机工程系。“我们仍然需要解决源/漏接触问题。表面粗糙度需要改进和变化问题需要进一步研究。”

英特尔和其他TFET也表现出兴趣,这可能出现在5海里。TFET,信源通道创建一个隧道结的接触增加驱动电流。使用III-V材料,TFET承诺规模以外的电源电压0.5伏,高级研究员Mark波尔说的技术和制造集团在英特尔。“TFETs使陡的亚阈值电压,”他说。

还有其他选择,比如奇异场效应电晶体和PFET III-V材料。其他III-V材料,包括锑化铟(InSb),仍在研发。某人的材料是有前途的,但狭窄的带隙。

工具的差距
所有的未来,高机动finFET设备遭受同样的问题,他们是昂贵和难以生产。最明显的问题是光刻。目前还不清楚如果极端紫外线(EUV)光刻将准备7 nm节点,这意味着该行业可能需要延长193海里浸泡和多个模式。

模式仅仅是一块finFET的难题。“光刻已经至少在过去十年的故事,”Mike Splinter表示,应用材料公司的董事长兼首席执行官。“现在,我们看到的许多瓶颈接口工程、精密材料和你打算如何获得性能值。”

例如,射频芯片制造商一直在制造后缘III-V芯片晶圆厂小晶片大小。7海里,挑战在于成长III-V材料300毫米或450毫米硅晶片具有良好的收益率和吞吐量。

目前尚不清楚,技术、散装或FD-SOI会占上风7海里。意法半导体说FD-SOI可以延伸到至少10 nm,或许超越。“我们继续看看SOI IMEC的中国农历新年庆祝活动之前更换灯笼内说。“耗竭设备SOI的优点是,他们有很好的隔离。”

在一个新兴SOI努力,埃德•诺瓦克设备在IBM的首席设计师,最近描述fin-on-oxide(福克斯)技术可以扩展到5海里。狐狸使finFET氧化技术与介质隔离。像SOI,福克斯使finFET制造商生产翅片高度控制,从而减少可变性。硅晶片制造商MEMC最近推出了基于福克斯SOI基板。

III-V和硅之间的集成可能是最大的问题。“在III-V,例如,我们使用黄金作为接触材料,“说Raj适意的,新兴技术的副总裁Sematech。“黄金是一种有毒的硅材料。所以,你需要想出一个新的接触金属方案。”

还有一个新的计量工具需要找到缺陷III-V finFETs。新工具还需要棉酚finFETs纳米线。“当谈到门全面,你需要选择性的退化过程,“适意的说。“鳍/门忠诚,这需要选择性epi III-V /通用电气。对于腐蚀,我们可能无法使用过程我们今天。我们正在调查ALD腐蚀。”

该行业在一个方面正在取得进展。“的一个领域,我们看到的是一个低损伤保形3 d掺杂技术,我们称之为单层掺杂,”他说。“这使选择性和接缝处很浅。我们有解决方案与砷和磷。什么是令人兴奋的是,单层的鳍掺杂没有任何伤害。”

总之,高机动finFETs承诺使芯片扩展,但挑战和成本是陡峭的。“天下没有免费的午餐,”他补充道。