面向同质三维集成应用的硅纳米线器件技术研究

As CMOS VLSI technology approaches the downscaling limit, the integration level on 2-dimensional plane becomes hard to be raised. To increase IC density and reduce cost, the future IC architecture will be developed along the 3-dimensional integration direction. Not like TSV technology for 3D integration, this project proposes homogeneous 3D integration method to fabricate the different functional silicon nanowire transistors on the multilayers at the Z-direction, so as to break the density bottleneck of traditional VLSI technology. To do that, this project will try to solve three major science and technique problems as follows: 1) the effect of channel material on the transport of homogenously integrated nanowire transistors;2) the impact of thermal budget on the multilayer devices homogeneously integrated; 3) the parasitic effect of source/drain contact of multilayer devices. Aiming at the above problems and issues, this project intends to employ the combined method of process fabrication and theoretical modeling to carry out the research on new material, process integration, process modeling and device characterization. As a final result, a homogeneous 3-dimensional integration solution for nanowire transistors will be proposed to provide an innovative method to extend the life of Moore's law of CMOS VLSI technology.

随着CMOS大规模集成电路技术逼近尺寸缩小的极限，二维平面上的集成规模难以进一步提升，未来集成电路架构将朝着三维集成和系统集成的方向发展。不同于TSV三维集成技术，本项目提出采用同质三维集成的方法，将不同功能的硅纳米线器件在第三维度的不同层次上集成起来，以突破传统平面集成电路技术的集成度瓶颈。本项目拟针对纳米线器件在同质三维集成应用方面所面临的三类主要科学问题和技术困难展开研究：1）纳米线沟道材料特性对三维同质集成器件的输运特性的影响；2）热预算对同质三维集成中不同层次器件性能的影响；3）同质三维集成中不同层源漏的非本征寄生效应。针对上述问题和技术难点，本项目拟采用工艺试制和理论模型相结合的方法，开展材料工艺、集成工艺、工艺模型和器件表征等研究，最终提出纳米线器件的同质三维集成方案，为延续CMOS集成电路摩尔定律提供创新的方法。

在集成电路发明60周年之际，摩尔定律的发展逐渐进入了瓶颈，主要表现为集成密度受到光学衍射极限限制难以提升，功耗密度随着特征尺寸缩小而增加。为此，本项目针对摩尔定律面临的密度极限开展同质三维集成关键技术研究，在低热预算非晶硅再结晶技术、超薄硅化物源漏接触技术、各向异性纳米线制备技术等方面取得一系列的创新成果。同质三维集成是将芯片不同功能器件按照顺序堆叠制备，通过层间通孔连接，因此可以在单一芯片工艺平台上实现系统级芯片制备，具备集成密度高、数据带宽大、功耗密度低的有点。而实现同质三维集成技术的关键在于实现低热预算下的有源层制备以及低接触势垒的源漏工艺。此外，底层高性能的小尺寸器件也是保证同质三维集成的关键技术。本项目提出一种硅化物诱导结晶的方法，能够在600摄氏度退火条件下实现结晶尺寸大于20微米的快速结晶方法，为同质三维集成的实现奠定了坚实的材料基础；提出了一种利用插入层调节金属扩散行为的新机制，在低于相变温度条件下实现界面光滑，没有尖峰效应的超薄镍硅化物，为实现低寄生电阻的同质三维集成器件突破关键瓶颈；提出了一种基于TMAH各向异性腐蚀制备纳米尺度纳米线的方法，获得了开关比大于10^6，表面散射迁移率大于629cm^2/Vs的三角形纳米线器件。以上成果对于同质三维集成技术的深入发展具有十分重要的应用价值。