三星14nm LPE FinFET揭密

　　我們從觀察典型三星14 nm LPE FinFET晶體管的SEM側(cè)視圖開始(圖1)。晶體管通道如同矽鰭片(Si Fin)般地形成，而非由圖片的左下角向右上方生長。這些鰭片被埋在電介質(zhì)下方而無法直接看到，因此，我們以箭號指示其方向。金屬閘就位于正交方向，覆蓋在整個鰭片的兩側(cè)與頂部。在閘電極的任一側(cè)可看到較大的源極與汲極(S/D)觸點。

　　圖1：三星14 nm LPE FinFET晶體管的側(cè)視SEM圖

　　也許從另一張三星FinFET晶體管的平面圖(圖2)中能更清楚的看到閘極與鰭片的布局。四片矽鰭以垂直的方向排列在水平方向的金屬閘極正下方。這兩種晶體管結(jié)構(gòu)周圍都圍繞著一個阱觸環(huán)，用于隔離其與芯片上的其他電路部份。

　　該鰭片間距約有49nm，必須采用雙重圖案制程來制造。在此提供了兩種選擇：英特爾所使用的『雙微影蝕刻』(LELE)，或是『自對準雙微影圖案法』(SADP)。我們認為三星采用了LELE制程為鰭片制圖，但最后還需要額外使用光罩與微影制程，才能中斷晶體管的兩端。

　　圖2：三星14nm FinFET晶體管的平面圖

　　圖3是Exynos 7420所使用的典型NMOS晶體管之TEM橫截面圖，而且我們還注意到閘極長度經(jīng)測量約有30nm，這跟所宣稱的14 nm制程節(jié)點差距頗多，而在表1中所整理的英特爾和臺積電的情況也是一樣的。稍后我們將進一步討論這個問題。

　　晶體管閘極使用替代性閘極制程制造，包括沉積犧牲層(通常為多晶矽)、圖案化與蝕刻，形成大約30個較寬的條形(stripe)區(qū)域。這些條形區(qū)域可定義出晶體管閘極長度。

　　圖3：三星Exynos 7420的NMOS晶體管橫截面圖

　　接著，側(cè)壁間隔層(SWS)沿著閘極側(cè)面形成，并且用于作為掘入蝕刻定義及隨后的外延生長——為NMOS晶體管(eSi)生長矽，以及為PMOS晶體管生長矽鍺(eSiGe )等。在完全形成源極/汲極后，以氧化物填充腔室，接著再進行化學機械研磨(CMP)制程。

　　PMOS源極/汲極區(qū)域的SiGe具有圍繞矽鰭的較大晶格常數(shù)，因而在PMOS晶體管上產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，從而提高其驅(qū)動電流。大量摻雜的SiGe與NMOS eSi源極/汲極也包覆在鰭片兩側(cè)，為鎢填充的觸點提供較大的接觸貼片，從而為晶體管實現(xiàn)更低的接觸電阻。

　　圖4：三星14nm節(jié)點的PMOS電晶體管

　　在此移除該犧牲層閘極，并以其閘電介質(zhì)與金屬填充該閘極。圖5顯示金屬填充的NMOS與PMOS晶體管，兩個閘極就位于隔離區(qū)域的正上方。這些晶體管共用一個通用的氧化鉿(HfO)/氧化物高k閘極電介層堆疊。高密度的HfO隨晶體管邊緣外圍繞的暗帶襯托而清楚顯現(xiàn)。閘極氧化層則環(huán)襯在HfO的表面之外。

　　HfO的內(nèi)面則環(huán)襯著NMOS與PMOS功函數(shù)金屬層，用于設(shè)定晶體管的閾值電壓，這些金屬分別擁有不同的組成。

　　閘極填充部份也有一點不同。從圖中可看到NMOS晶體管的內(nèi)層部份襯著氧化鈦(TiN)，再以鎢(W)填充，但PMOS晶體管則不然。閘極長度較短的PMOS晶體管并未使用鎢填充，原因在于TiN封閉閘極頂部，無法再為其填充鎢;而這也導致靠近底部的部份形成真空。在閘極長度較長的PMOS晶體管由于TiN未封閉閘極頂部，因而會再度出現(xiàn)鎢填充。

　　圖5：虛擬NMOS和PMOS晶體管

　　我們在前面曾經(jīng)提到三星的FinFET晶體管較所描述的制程節(jié)點長度更長，但并不是只有三星如此。包括英特爾與臺積電所支援的FinFET閘極長度也比其制程節(jié)點更長(如表1)。事實上，以微影尺寸的方式來看，與其所宣稱的制程節(jié)點也不盡相同。這究竟是怎么一回事?