台积电提出了微波可用于激活过量掺杂剂的理论,但就像家用微波炉有时会不均匀地加热食物一样,以前的微波退火器会产生“驻波”,从而阻止持续的掺杂剂激活......

电子工程专辑讯,近日,康奈尔大学的科学家们发布于Applied Physics Letters上的论文《Efficient and stable activation by microwave annealing of nanosheet silicon doped with phosphorus above its solubility limit》,解决了半导体先进工艺节点2nm的技术瓶颈问题。

第一作者为康奈尔大学的材料科学与工程系研究教授James Hwang;康奈尔大学的其他贡献者是博士生 Chandrasekhar Savant 和前博士后研究员 Mohammed Javad Asadi。

随着工艺技术发展,栅极的宽度越来越小,源极和漏极之间的距离也越来越近。

这就会导致源、漏两极的电场对栅极产生干扰,进而使得栅极对电流的控制能力大大下降,也就是出现短沟道效应。

而解决短沟道效应很大程度上就是在芯片材料和工艺上下功夫,其中的一个办法就是提高器件沟道掺杂浓度。

也就是通过在芯片材料中掺杂大量的其他原子,然后对其进行退火(加热)来激活掺杂的原子。

硅必须掺杂或混合更高浓度的磷才能产生所需的电流。半导体制造商现在正接近一个临界极限,即使用传统方法加热高掺杂材料不再能生产出功能一致的半导体。 

“我们需要的磷浓度高于其在硅中的平衡溶解度,”Hwang说,“这违背了自然,硅晶体会膨胀,造成巨大的应变,使其可能对电子产品无用。”

台积电提出了微波可用于激活过量掺杂剂的理论,但就像家用微波炉有时会不均匀地加热食物一样,以前的微波退火器会产生“驻波”,从而阻止持续的掺杂剂激活。

康奈尔大学的科学家得到台积电和中国台湾科技部门支持,James Hwang对微波炉进行了改造,以选择性地控制驻波发生的位置。这种精度允许掺杂剂的适当激活,而不会过度加热或损坏硅晶体。 

微波退火设备。 (a) 示意图显示了堆叠在微波中间的三个紧密间隔的 SiC 涂层硅感受器和放置在中间感受器上的样品。 (b) 微波腔上的模拟电场分布,显示顶部和底部感受器之间在 12.241 GHz 处的五阶垂直共振。 (c) 感受器之间的详细场分布,垂直尺寸被夸大,微波信号从 12.241 GHz 调离,显示横向共振移动而垂直共振保持不变。

也就是,晶体管和其他微芯片组件的材料类似于烘烤,因为必须将材料成分混合在一起然后加热,以及其他步骤,才能生产所需的电流。例如,将磷添加到硅中,然后对混合物进行退火或加热,以将磷原子定位到正确的位置,从而使它们在电流传导中处于活跃状态。

Hwang 说,“一些制造商目前正在生产 3 纳米的半导体材料,这种新的微波方法有可能使台积电和三星等领先制造商的尺寸缩小到仅 2 纳米。” 

这一突破可能会改变微芯片中使用的晶体管的几何形状。20 多年来,晶体管被制成像背鳍一样竖立起来,以便在每个微芯片上封装更多,但制造商最近开始试验一种新架构,其中晶体管作为纳米片水平堆叠,可以进一步增加晶体管的密度和控制。

通过微波退火实现的过度掺杂材料将是新架构的关键。

Hwang 说,这一发现可用于生产 2025 年左右出现的半导体材料和电子产品,他已与博士后研究员 Gianluca Fabi 为原型微波退火器申请了两项专利。 

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