Mozz TCAD|先进工艺下Ribbon-6nm研究

Lg=6nm栅长的超薄Ribbon器件

英特尔在2024 IEDM上展示了其在晶体管技术领域的突破—栅长为6nm、硅层厚度仅为1.7nm的Silicon RibbonFET CMOS晶体管,在大幅缩短栅极长度和减少沟道厚度的同时,还增强了对短沟道效应的抑制。

图 1 超薄厚度纳米带TEM截面图

6nm RibbonFET的成功开发表明晶体管微缩仍有广阔的探索空间,使得更小、更快、更高效的芯片成为可能。这项技术基于GAA结构，通过结构优化有效解决了当前半导体行业在10nm以下制程中面临的短沟道效应和量子效应问题,为先进逻辑工艺的发展开辟了新方向，为摩尔定律的延续提供了新的路径。

图2 ITRS2.0预测,由于工艺和集成方面的多重挑战,物理栅极长度的微缩将止步于10nm节点,从而导致继续微缩在成本效益上不可行

这项研究通过将纳米带与衬底鳍断开连接的进行性能测试,系统评估并实现了三大关键技术:功函数调控工程、源漏(S/D)结优化以及纳米带硅层厚度(Tsi)微缩,确保了对纳米带特性的精确表征

图3 TEM micrograph of 1NR RibbonFET

面对这一前沿问题，主流TCAD软件尚未建立相关模型，我们可以通过Mozz-TCAD来分析理解研究现象背后的物理机制。

器件结构建立

为了研究器件性能，首先需要完成器件的建模与分析。

图 4 基于TEM图对器件尺寸进行了标注

本工作中的RibbonFET工艺流程相对NanoSheet来说，区别在于只有单条纳米带、以及将纳米带和衬底断开，通过沉积lowk材料，降低衬底寄生对器件的影响这两步工艺。

图 5 通过Mozz Process模块生成器件结构（部分图）

可以通过如下工艺流程来实现Ribbon FET结构生成:Init、Fin、Poly、Spc、Epi、CESL、***t、Mesh；

图6 仿真工艺流程示意图

图7 Lg=6nm NMOS器件结构图(a)TSi = 1.7nm (b)TSi = 3.1nm (c)TSi = 6nm (d)器件结构图

对于PMOS器件，先进工艺通过掺杂了Ge来提高空穴迁移率（先进工艺不展开），在Mprocess工艺仿真中，我们也可以通过掺杂Ge来将沟道材料转换为SiGe。 

图8 Lg=6nm PMOS器件结构图(a)TSi = 1.7nm (b)TSi = 3.1nm (c)TSi = 6nm (d)器件结构图

器件关键物理模型

作为最前沿的工艺和器件研究，目前没有教科书定义的标准解法，主流TCAD软件也尚未建立相关模型。这需要针对器件性能背后的物理原理进行分析，本文内容仅做抛砖引玉。

图9 展示了迁移率温度指数(μ∝T^γ)与硅层厚度(Tsi)的关联规律:

对于NMOS和PMOS器件,当Tsi≥3nm时,载流子输运主要受声子散射主导;

当Tsi<3nm时,表面粗糙度散射则成为限制迁移率的关键机制。

Philips散射模型、TCLCO具有各向异性的薄层通道层迁移率模型、Canali Vsat高场速度饱和模型和BCL弹道输运模型。其中，Philips模型不仅描述了迁移率随温度的变化规律，还考虑了电子-空穴散射、电离杂质的电荷载流子屏蔽以及杂质的聚集现象，已广泛应用于场效应晶体管(MOS)器件；TCLCO模型是专为纳米级薄层半导体器件设计的物理模型，用于描述载流子在几何约束下的输运行为，包含厚度波动、体声子散射、表面声子散射、表面粗糙度散射和表面库仑(杂质)散射；Canali Vsat模型用于考虑外加电场足够大时，载流子漂移速度达到散射极限速度使得漂移电流达到饱和的物理现象；BCL弹道输运模型用于考虑当器件尺寸小于载流子的平均自由程（如硅中电子平均自由程约10 nm）时载流子在输运过程中的弹道输运效果。

此外，随着半导体技术逐渐向小型化器件发展，量子限制效应变得越来越重要。考虑到量子效应的影响，采用了带有量子约束的密度梯度QDDML1A求解器进行求解。

表2 部分启用以及修改的物理模型

器件性能仿真

我们可以通过Mozz-mdevice模块，完成器件的基本状态分析，并且通过物理模型的修改来尝试拟合分析实验结果；

图10 Mozz可以通过修改材料参数文件，来对器件物理模型进行分析

图11将模型中需要修改的变量参数化

图12 基于单纳米带测试结构(1NR)的NMOS/PMOS器件在栅长6nm条件下的转移特性曲线(ID-VG)

参考文献

[1] Agrawal A , Chakraborty W , Li W ,et al.Silicon RibbonFET CMOS at 6nm Gate Length[C]//2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).0[2025-03-22].DOI:10.1109/IEDM50854.2024.10873367.

相关课程：【提前开售】基于国产Mozz TCAD的半导体器件建模仿真与分析教程