超细硅纳米线阵列的生长集成并首次应用于高性能围栅晶体管

基于超细晶硅纳米沟道的围栅晶体管(GAA-FETs)因其卓越的静电控制能力，已成为3 nm以下工艺节点的主流器件架构。然而，为实现更高集成密度的单片三维集成架构，需要在缺少单晶硅衬底的堆叠层中，仅依赖全低温工艺(<450 oC)直接制备超细晶硅沟道和高性能GAA-FET器件——这也成为突破高性能三维集成硅基逻辑/存储的核心障碍之一。因此，针对传统微缩刻蚀(Etching)制备工艺所面临的技术挑战，探索一条与之互补的催化生长(Growth)集成制备新策略具有重要的意义。

2. 创新的悬空接触策略：开发了一种独特悬空技术，成功固定并释放超细 SiNWs 作为准一维通道，悬空长度可超 500 nm，为全栅结构提供了理想条件。

3. 高性能GAA-FETs突破：首次基于催化SiNWs沟道实现高性能GAA-FETs，开关比达10?，亚阈值摆幅低至66 mV/dec，接近理论极限。

I 硅纳米线生长与悬空技术

图1a对比了传统EUV光刻和催化生长方式制备的GAA-FET结构。图1b详细描述了IPSLS纳米线生长及悬空释放过程：首先通过光刻和循环交替刻蚀形成密排引导台阶，随后沉积40 nm Al?O?牺牲层；然后沉积4 nm铟(In)催化剂条带，在PECVD中用氢等离子处理形成直径70 ± 11 nm的铟液滴(图1c)；最后垫积7 nm非晶硅并在真空中退火，使液滴沿台阶吸收非晶硅并生长硅纳米线。图1d的扫描电镜(SEM)图像显示，生长出的硅纳米线均匀分布于台阶根部，直径约21 nm。图1e对其他区域生长的纳米线直径进行了统计，进一步确认纳米线直径为 22.4 ± 2.4 nm，具有高均匀性，适合用于构建高性能GAA-FET器件。

图1. a) 通过EUV光刻及催化生长集成的GAA结构示意图。b) IPSLS纳米线生长及悬空示意图。c) 催化剂区域和d) SiNWs的典型SEM图像。e) 不同区域IPSLS SiNWs的直径统计。

图2a列举了GAA-FET的完整制造流程程，突出显示了沟道悬空释放和介电层沉积两个关键步骤(虚线框)。图2b示意了通过稀释碱溶液(2.5%)蚀刻 Al?O?牺牲层释放纳米线沟道的过程。图2c中统计表明，纳米线最大悬空长度与其直径相关。例如，直径28 nm的纳米线悬空长度可达 700 nm，即使对于直径18 nm的纳米线，其悬空长度也大于500 nm。图2d-e展示了悬空纳米线及其沉积介质层后的SEM图像。

图2. a) SiNW GAA-FETs的制造流程。b) 湿法释放和介电层沉积步骤的示意图。c) 不同直径SiNW沟道的悬空长度统计。d-e) 悬空SiNWs及沉积3 nm Al?O?和7 nm HfO?后的SEM图像。

图4a为GAA-FET的SEM图像，其沟道长度为300 nm，S/D电极为Pt/Au电极(12/55 nm)。图4b中的转移特性曲线表明，在VDS = -0.1 V时，GAA-FET 的开关比可达10?，SS为66 mV/dec，漏电流低于0.1 pA；相比之下，普通FET 的SS为150 mV/dec。图4c和图4e系统比较了两种器件在不同源/漏电流以及电压下的SS，GAA-FET在各种情况下均展现了更好的性能。图4f对比了文献中催化纳米线与自上而下工艺制备的SiNW-FETs的SS和开关比。可以看到，本研究中的GAA-FET性能远超催化生长的纳米线器件，媲美采用电子束光刻(EBL)和极紫外光刻(EUV)的先进GAA-FETs。

图4. a) GAA-FET的SEM图像。普通FET和GAA-FET：b) 转移曲线，c) SS?IDS 曲线，e) SS?VDS曲线。d) GAA-FET的转移曲线。f) 器件性能对比：基于文献中催化SiNW和自上而下蚀刻SiNW/NS沟道的FET。

图5a-d比较了Ti/Au和Pt/Au接触下的GAA-FET转移特性。其中，Ti/Au 接触开关比仅为103，尽管SS仅为62 mV/dec；而Pt/Au接触器件开关比提高了近四个量级，达10?，SS为65 mV/dec。图5b-e的输出特性显示，Pt/Au接触更接近欧姆特性，开态电阻(2.2×10? Ω)远低于Ti/Au(1.2×10? Ω)。图 5c-f的能带图解释了这一差异：Ti(功函数4.3 eV)接触存在较大的肖特基势垒，从而限制了器件电流；而Pt(5.6 eV)形成反向肖特基势垒，有利于提升驱动电流。

图5. Ti/Au接触GAA-FET的电学性能：a) 迟滞曲线，b) 输出曲线，c) 不同栅偏压条件下的能带图。Pt/Au接触GAA FET的电学性能：d)迟滞曲线，e) 输出曲线，f) 不同栅极偏压条件下的能带图。

本文通过 IPSLS 技术制备了直径 22.4 ± 2.4 nm、线间距 90 nm 的有序硅纳米线阵列，并首次将其用于高性能 GAA-FETs。通过创新的悬空接触策略和优化的源/漏接触，使器件实现了10?的开关比和66 mV/dec的亚阈值摆幅，性能媲美自上而下EBL和EUV光刻制备的先进GAA-FETs。相比传统工艺，这种催化生长硅纳米线GAA-FET具有更高的灵活性和兼容性，能够更好地融入现有制造流程。同时，由于该技术无需依赖预先存在的单晶硅晶圆，且可在低温条件下完成，因此特别适合于堆叠式3D集成电路的设计与制造。随着该技术的进一步优化和成熟，有望推动高性能、低功耗和高集成度电子器件的快速发展，并在人工智能、感存算一体芯片等需要多层堆叠的先进领域实现广泛应用。

余林蔚

本文通讯作者

南京大学电子科学与工程学院 教授

▍主要研究领域

1) 硅基纳米线三维生长和集成工艺；2) GAA-FET、柔性晶硅及显示逻辑器件；3) 硅基微纳光电、传感及仿生机电系统应用

▍个人简介

余林蔚教授分别于2001年、2007年获得南京大学物理学学士学位、工学博士学位。获国家杰出青年基金、国家海外高层次人才计划(青年项目)、江苏省“双创个人及团队”计划和江苏省杰出青年基金等人才项目资助。担任法国国家科学研究院终身职位研究员(CNRS-CR2)，英国物理协会IOP《Nanotechnology》编委，国际非晶/纳米晶薄膜半导体会议(ICANS)国际常驻顾问委员会委员。

▍Email：yulinwei@nju.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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