美半导体厂商用量子工程材料提升晶体管性能

电源管理IC (PMIC)的主要功能是在电子应用中提供所需的电压水平。许多PMIC和其他的混合信号组件利用5V晶体管做为开关，开关性能与两个因素密切相关：低导通电阻(on-resistance)、降低功率损耗，以及良好的隔离或高崩溃电压。因此，开关性能的标准指针，是一个在既定崩溃电压上的导通电阻。

总部位于美国加州Los Gatos的IC材料工程专业厂商Atomera，其专有技术就是藉由降低通道的导通电阻，来改善5V模拟晶体管的性能。该公司已经取得专利的Mears Silicon Technology (MST)解决方案结合了载子迁移率(carrier mobility)的改善，能因此降低特定的导通电阻，配合掺杂分布工程(dopant profile engineering)，对短通道效应提供更好的控制。

这个被命名为MST Smart Profile (MST SP)的5V NMOS开关，能够在不需要在崩溃电压或其他相关的装置特性做妥协的情况下，减少25%的特定导通电阻。Atomera首席技术官暨创始人Robert Mears表示，其目标是“为市场提供最小占位面积与成本的该类组件，锁定快速成长的PMIC市场和其他模拟电源IC市场。”

MST是一种利用量子工程开发的薄膜，经历了超过15年的研发；它是一种磊晶(epitaxially)成长的薄膜，包含非半导体材料，例如在硅或其他半导体材料中间掺入氧气。氧气在薄膜间磊晶沉积，以改变或强化基本的半导体特性与组件特征，例如扩散阻挡(diffusion blocking)、变异性、迁移性、闸极泄漏和可靠性。

MST晶格。(来源：Atomera)

根据Atomera的说法，由于MST是透过磊晶成长实现，该技术是由各大磊晶工具供应商支持；而该公司的工程师在开发具备特殊质量的MST薄膜方面，累积了丰富的经验。这种专有磊晶技术能实现原子大小的磊晶成长和沉积，量产期间的MST薄膜质量则是利用像是光谱式椭圆偏光仪度量法(spectroscopic ellipsometry metrology)等工具来评估。

Mears表示：“我们可以把一个晶体管看成三个优化要点的一个组合，即速度、面积与功率密度。透过将MST (薄膜)应用至一个具有相同组件占位面积的晶体管上，我们能实际上从这个组件取得更多一点驱动电流；MST的优势包括更佳的PPA (power performance area)、更高的速度、更低的成本，因为晶体管尺寸能够缩小至与驱动电流匹配的程度，且降低功耗──VDD能降低至与驱动电流匹配。”

速度、面积和功率密度的组合，能针对特定应用需求搭配混合。MST能够透过降低泄漏电流来减少功耗，同时提升性能。在较小尺寸的工艺节点上，因应日益提升之闸极漏电流对芯片工程师而言是最棘手的任务之一；在第三方测试期间，MST透过防止在垂直方向上不必要的晶体管电流，让闸极漏电流减少了超过60%。另一个降低功耗的选项，则是利用性能优势来换取较低电压。

为了将MST整合到芯片制造流程中，Atomera开发了两种方法。第一种MST1方法是透过含有丰富氧气的分层薄膜打造空白晶圆片，该晶圆片就能在IC工艺的一部份进行处理；这种整合方法很直接但缺乏弹性，因为必须被应用于一片晶圆上的所有组件，每个组件都得重新优化。此MST1方法适合低温深沟槽(Dt)工艺，例如FinFET和RF SOI。

针对模拟和功率组件，第二种MST2方法更具选择性，也因此更有弹性；也就是说该技术只会利用外加的硬质光罩(hard mask)应用在选定的组件上。除了锁定发展蓬勃的PMIC市场，Atomera的技术也能应用于模拟和功率IC──Mears指出，拜迁移性的强化与和精确的掺杂，MST SP能实现更小占位面积的功率组件；“我们可利用现有工艺，加入MST技术以优化MST SP组件，以产出更小、性能更高的5V功率组件。”

虽然该技术已经针对5V晶体管优化，也能扩展到其他电压组件上。在已知的可靠度下，MST SP能够提供更高的汲极电流( Idlin)、降低闸极长度(Lg)至0.25μm，实现更低的寄生电阻(Rsp)，让整个功率组件尺寸缩小百分之20%。

MST结合了速度、尺寸和功耗的改善。

(来源：Atomera)

利用Atomera提供的物理特性建模工具MSTcad，可进行MST技术以及完整组件制造期间MST工艺的仿真。由MSTcad产生的结果是Atomera已在硅工艺上确认的，能让MST能够精确地与半导体组件整合；Atomera可提供该工具做为Sentaurus工艺暨组件仿真软件工具套件(EETT编按：由Synopsys开发的EDA软件)附加功能，用于物理和电气特性描述。

“我们为什么能实现以上强化功能，并不只是因为MST技术，也因为我们了解如何在半导体工艺基线上应用我们的技术。为了做到这一点，我们利用MSTcad进行了大量的模拟；” Mears指出，该套工具包含一组结合MST物理学的Alagator脚本语言，并以晶圆代工业者TSI Semiconductor的硅工艺进行过校准。该工具除了供内部使用，以优化透过TSI代工的芯片，也供授权客户使用提升工艺效率。

本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志2022年3月刊

编译：Judith Cheng

(参考原文：Quantum-Engineered Material Boosts Transistor Performance，By Maurizio Di Paolo Emilio)