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環繞柵極（GAA）晶體管提升芯片的功率和性能

2022/5/18 8:45:57

要在未來若干年內提升晶體管密度，芯片制造商正在尋求互補的兩條道路。其一是延續傳統的摩爾定律二維微縮，也就是使用EUV光刻和材料工程打造出更小的特征。另一條則是使用設計技術協同優化（DTCO）和三維技巧，對邏輯單元布局進行巧妙優化，這樣無需對光刻柵距進行任何更改即可增加密度。后一種方法包括后段連線和環繞柵極（GAA）晶體管，即使面臨傳統二維微縮的減緩，仍將有力推動邏輯密度在未來幾年內的持續增長。通過將這些技術有機結合，可以幫助芯片制造商完成邏輯芯片在未來的迭代進化，同時實現功率、性能、面積、成本和上市時間（即PPACt）的同步改善。

應用材料公司高級副總裁、半導體產品事業部總經理珀拉布?拉賈博士表示：“應用材料公司的核心戰略是成為賦能客戶的PPACt賦能企業？依托我們現有的七大創新，支持客戶利用EUV繼續推進二維微縮。同時，我們還詳細介紹了GAA晶體管的顛覆性制造方法，該方法與現今FinFET晶體管截然不同。不僅如此，應用材料公司已經準備好了覆蓋范圍最廣泛的GAA制造產品線，包含涉及外延生長、原子層沉積和選擇性材料刻蝕的全新生產步驟，以及兩項全新的用于制造理想GAA氧化柵極和金屬柵極的集成材料解決方案（Integrated Materials Solutions）。”

二維微縮的擴展

極紫外光（EUV）光刻的出現使芯片制造商得以產出更小的特征，并增加晶體管密度。但行業目前的現狀是：要繼續利用EUV進行微縮困難重重，迫切需要全新的沉積、刻蝕和量測方法。

完成EUV光刻膠顯影后，需要先通過稱為過渡層和硬掩模的一系列中間層對芯片圖形進行刻蝕，隨后才能將其最終刻蝕到晶圓上。迄今為止，這些中間層都是使用旋涂技術來進行沉積的。今日，應用材料公司推出使用該公司的Precision化學氣相沉積系統來進行沉積，適用于EUV的Stensar先進圖形鍍膜（Stensar? Advanced Patterning Film for EUV）。相較于旋涂沉積，應用材料公司的CVD膜可幫助客戶對EUV硬掩模層進行微調，使其達到特定厚度和刻蝕彈性，以便在整個晶圓上EUV圖形傳輸時達成接近完美的均勻性。

應用材料公司還詳解了其Sym3 Y刻蝕系統的特殊功能，即允許客戶在相同反應腔內進行材料刻蝕和沉積，這樣可先改善EUV圖形，再將其刻蝕到晶圓上。Sym3反應腔會輕輕移除EUV光刻膠材質，然后以特殊方式重新進行材料沉積，使圖形變均勻，從而消除因“隨機誤差”而產生的圖形易變性。改善后的EUV圖形可提高良率、降低芯片功耗并提升其性能。因此，位居DRAM市場中導體刻蝕系統首要供應商位置的應用材料公司，正在憑借其Sym3技術的飛速發展，將客戶群體從存儲器領域拓展到晶圓代工廠/邏輯芯片領域。

應用材料公司還展示了如何將其PROVision eBeam量測技術用于深入觀察多層芯片內部，以便精確測量整個晶圓上的EUV圖形化特征，幫助客戶解決其他量測技巧可能無法診斷的“邊緣布局錯誤”。應用材料公司2021年電子束系統的營收幾乎翻倍，使其躍居電子束技術供應商榜首的位置。

三維環繞式柵極晶體管工藝設計

新興的GAA晶體管為客戶示范了如何利用三維設計技巧和DTCO布局創新來對二維微縮加以補充，即使二維微縮速度放緩，仍可快速提升邏輯密度。材料工程領域的創新同時還有助于GAA晶體管降低功耗和提升性能。

在FinFET中，構成晶體管電子路徑的垂直溝道是由光刻和刻蝕來形成的，這種工藝會導致溝道寬度不均勻。而這種不均勻性則會對功耗和性能產生不利影響，這也是客戶轉投GAA的另一個主要原因。

GAA晶體管看上去就像是FinFET晶體管旋轉了90度，使溝道從垂直變為水平。GAA溝道是通過使用外延生長和選擇性材料刻蝕來形成的，這種技術使客戶得以精確設計寬度，實現寬度均勻，從而獲得最優功耗和性能。外延生長系統恰恰是應用材料公司的首項產品，自此之后，它便一躍成為市場領頭羊。2016年，應用材料公司發布Selectra系統并在其中率先啟用選擇性材料刻蝕技術，迄今已提供1000余個反應腔給客戶使用，并位居市場領袖地位。

GAA晶體管的主要制造挑戰在于溝道間距僅約10納米，在如此微小的空間內，客戶必須在圍繞各溝道的全部四周進行多層氧化柵極和金屬柵極堆疊的沉積。

應用材料公司專為氧化柵極堆疊開發了IMS（集成材料解決方案）系統，通過將氧化柵極變薄，增加了驅動電流并提升晶體管性能。但氧化柵極越薄，通常就會導致漏電流越高，造成功耗浪費和發熱。應用材料公司全新的IMS?系統將等效氧化層厚度降低1.5埃，使設計師無需增加柵極漏電流即可提升性能，或者在保持性能不變的前提下，使柵極漏電流減小至原先的1/10以下。它將原子層沉積（ALD）、熱處理步驟、等離子處理步驟和量測整合到單一高真空系統內。

應用材料公司還展示了IMS系統，該系統用于GAA金屬柵極的工藝，支持客戶借由調整柵極厚度來微調晶體管閾值電壓，以滿足從電池供電式移動設備到高性能服務器在內的各種特定計算應用的每瓦特功耗性能目標。它可在高度真空環境內執行高精度金屬原子層沉積步驟以防止空氣污染。

應用材料公司已經在4月21日舉辦的“全新微縮之旅”大師課上，提供了有關其邏輯微縮解決方案的更多詳情。查詢進一步信息，請訪問官方網站