科研前线|芯片自热新解，韩国团队试水GAA器件全接触结构

近日，韩国首尔大学团队于IEEE TED上发表了针对基于三沟道GAAFET器件的Wrap-Around Contact结构改进的研究，其成果表明WAC结构对于降低寄生电阻和自热效应，提升器件性能和可靠性方面确有成效，将助力先进工艺器件结构设计的改进。

研究背景

在过去几十年的集成电路产业发展历程中，为了实现更高的集成密度和更好的电气特性，晶体管微缩技术持续稳步迭代。随着传统的平面场效应管遭受严重短沟道效应影响，多方向栅极结构的FinFET和环绕栅的GAAFET器件结构被提出并应用于先进工艺节点。

尽管结构改进成功地抑制了短沟道效应的影响，但由于器件尺寸的不断缩小，其他技术问题也纷沓而至，其中以自热效应（SHE）和寄生效应尤为突出。

自热效应的严重性在于它会降低器件电性能，并引起HCI热载流子效应、栅介电寿命下降和BTI偏置温度不稳定性等可靠性问题。自热效应愈发严重的原因之一是尺寸的缩小会使得声子边界散射增强。特别是在GAA结构中，由于沟道被被SiO2、HfO2等低导热材料包围，进一步加剧了自热效应。在器件尺寸按技术路线缩小的同时，寄生电阻的影响也相应增大，并在源级-漏级接触的临界尺寸减小，接触电阻Rc会逐渐在寄生电阻中占据主导。而WAC*包裹触点被认为是一种有希望的降低寄生电阻的解决方案。

基于TCAD技术，首尔大学与釜庆大学联合团队研究了GAA MOSFET的电学热血特性，其研究成果以“Investigation of Self-Heating Effects in Vertically Stacked GAA MOSFET With Wrap-Around Contact”为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices三月刊，Seok Jung Kang为第一作者，Sangwan Kim为通讯作者。

*WAC，全称wrap-around contact，相比传统结构中顶部接触结构（top contact，以下简称TC），WAC结构增大了与源级/漏极的接触面积。

TC结构（左）与WAC结构（右）对比

研究内容

研究团队采用TCAD技术广泛地研究了带有WAC的垂直堆叠GAA的电学和热学特性。结果表明，由于降低了寄生电阻和源漏电阻，WAC结构器件相比与TC结构，其导通电流提升了74%，而热阻降低了9.73%，改善了寄生效应和自热效应对晶体管的影响。其主要研究内容包括：

·基于TCAD进行了器件设计和物理建模；

·比较了WAC结构与TC结构的电、热特性，对WAC的电特性进行了分析；

·从热阻(Rh)的角度对WAC/TC两种结构的自热效应和散热效率进行了分析。

图(a)TC结构示意图，图(b)WAC结构示意图

图(c)WAC结构的xz方向截面

图(d)WAC结构的yz方向截面

器件尺寸参数

器件热学参数

TC（左）与WAC（右）结构的热分布图

TC与WAC结构的栅压与电流曲线图

前景展望

研究表明，WAC结构对于降低晶体管自热效应与寄生电阻方面卓有成效，具有更好的电气特性和热特性，能增加器件可靠性、缓解寿命衰减，有望被引入先进节点的器件结构中，对于高性能计算和高能效应用等积热问题日趋严重的产品领域可能是一剂良方。

团队介绍

釜庆大学，全称国立釜庆大学，1996年由1924年建校的釜山工业大学与1941年建校的釜山水产大学充足合并，是韩国BK21工程重点建设高校。

首尔大学，全称国立首尔大学，是韩国一所综合国立大学，全称为国立首尔大学，是环太平洋大学联盟、亚洲大学联盟、东亚四大学论坛和东亚研究型大学协会成员，也是韩国顶级学府。

ISRC，全称Inter-University Semiconductor Research Center，是首尔大学工学院下设的半导体研究中心，拥有生产线级的大型洁净室和完整的半导体制造设备与实验仪器。