一种结合形态工程技术的新型协同掺杂方法，用于降低垂直FET中的寄生栅极电容

《Microelectronics Journal》：A novel synergistic doping combined with morphology engineering technique for parasitic gate capacitance reduction in vertical FETs

　　

王志成|朱辉龙|张永魁|李永亮

中国科学院微电子研究所集成电路制造技术国家重点实验室，中国北京，100029

摘要

本文提出一种新的协同掺杂与形态工程相结合的技术（SDME），用于降低垂直通道晶体管中的寄生栅极电容（C_gg）。SDME方法将外延原位掺杂、固态源极扩散和原子层刻蚀有机结合，从而在三维空间内重构源漏扩展区。该技术不仅显著降低了寄生C_gg值，还能使导通状态电流（I_on）高于传统带内衬结构的垂直通道晶体管。首先，我们确定了该方案的关键设计参数并优化了通道形状；其次，通过大量TCAD模拟进行多目标优化，以在I_on和C_gg之间找到平衡点；最后，在15级环形振荡器中，该方案不仅在各种负载条件下都能与氮化物侧壁结构（κ?=?7.9）的性能相媲美，甚至在重负载条件下也能接近低κ值（κ?=?3.3）内衬结构所达到的性能水平。

引言

特征尺寸的不断缩小是推动集成电路发展的关键因素。然而，现有的主流横向通道FET面临着一些根本性的物理限制，这些限制使得接触栅极间距和单元高度难以进一步缩小。为克服这一难题，垂直通道FET提供了一种新的发展路径。垂直通道FET架构改变了决定接触栅极间距的因素，使其仅取决于源漏长度和器件隔离程度，从而大幅缩小了单元尺寸。这些固有优势凸显了垂直通道FET在持续缩小尺寸方面的巨大潜力，使其有望在先进逻辑芯片中得到广泛应用。

寄生栅极电容对垂直通道FET的性能有着重要影响。为降低这一数值，人们采用了内衬结构，但这种结构存在两个缺陷：其一，其厚度对刻蚀时间极为敏感，导致工艺一致性较差；其二，垂直通道FET中的源漏自屏蔽效应会在内衬下方形成低掺杂区域，这一区域既无法通过离子注入掺杂，也难以通过栅极控制，从而导致较高的串联电阻，进而严重降低导通状态电流。

为解决垂直通道FET中内衬结构的这些问题，本文提出了一种名为协同掺杂与形态工程相结合的新技术，用以有效抑制寄生C_gg。该技术能够对源漏扩展区进行全方位的三维重构：首先，通过外延原位掺杂和固态源极扩散相结合的方式，确定垂直方向和横向的掺杂分布；其次，通过选择性外延和原子层刻蚀的协同作用，实现对源漏扩展区的精确形态控制。通过对几何结构和掺杂程度的共同优化，最终实现所需的三维重构效果。接下来，我们系统地确定了SDME方案的关键设计参数，随后通过数千次TCAD模拟进行多目标优化，以在最大化导通状态电流和最小化寄生C_gg之间找到最佳平衡点。然后，利用自适应加权求和理论确定帕累托前沿，从而明确各指标之间的最优权衡关系。为了进行公平严谨的比较，我们还对传统内衬结构进行了优化，调整了内衬厚度和退火时间。之后，分别采用SDME方案和传统内衬结构的最佳配置进行简化模型构建，为后续的电路级性能评估提供统一依据。最后，通过改变15级环形振荡器的负载电容，模拟了多种应用场景，对两种方案进行了重新评估，以确定能够优化频率和功耗的器件参数。最后，对这些最优参数进行定量对比，从而明确所提出的SDME技术相较于传统垂直通道FET的优势与不足。

本文的结构如下：第二部分介绍了仿真环境和SDME制造工艺；第三部分对这两种技术进行了对比分析；第四部分给出了结论性意见。

章节要点

器件仿真基准

图1展示了本研究中使用的TCAD仿真结构。图1(a)和(b)分别为没有内衬的垂直通道FET和双通道FET结构；图1(c)和(d)则为采用传统内衬的结构。器件的一些关键尺寸参数取自2024年“更多摩尔”国际器件与系统路线图，详见表1。如图1(a)所示，垂直通道FET/双通道FET的总体寄生C_gg值

利用SDME优化C_gg值

传统内衬结构的一个主要缺陷是，由于源漏扩展区的长度会随着内衬厚度的增加而变化，因此在该区域内不可避免地会形成低掺杂、高电阻的区域。鉴于这一参数对器件性能的重要影响，对其进行优化对于确保两种方案之间的公平比较至关重要。为优化掺杂分布，我们将退火温度固定为1050°C，同时调整退火时间

结论

本文介绍了一种名为SDME的新技术，可用于降低垂直通道FET中的寄生C_gg值。该技术通过以下方式实现源漏区域的三维重构：1）利用原位外延技术控制垂直方向的尺寸和掺杂分布；2）通过原子层刻蚀实现横向形态控制；3）借助BSG/PSG固态扩散技术优化横向掺杂程度。通过自适应加权求和理论对SDME方案的关键参数进行多目标优化，我们确定了导通状态电流与寄生C_gg之间的帕累托前沿

CRediT作者贡献说明

王志成：研究工作、方法设计、软件应用、论文撰写——初稿撰写、论文修改与润色。朱辉龙：概念构思、研究工作、项目管理、监督指导、资源协调。张永魁：项目管理、文献评审、概念构思、研究工作。李永亮：概念构思、项目管理、监督指导、资源协调。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究的部分资金来自国家自然科学基金（项目编号：92564303），另一部分资金则来自北京市自然科学基金（项目编号：4262092和4264149）。