科研前线 | 华中科大nanosheet器件研究为摩尔定律未来铺路

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今年4月，第五届IEEE电子器件技术与制造会议首次在中国举办，华中科技大学缪向水教授团队发表了针对亚5nm尺寸nanosheet FET前沿器件结构的尺寸与性能关系的研究，其成果对未来先进工艺的器件设计和工艺优化具有指导性意义。

研究背景

目前业界几大晶圆厂都已公布了未来技术节点路线图，不约而同地将GAA环栅结构的纳米片（nanosheet）晶体管作为取代FinFET结构的下一代器件结构。栅极四面环绕沟道的GAA nanosheet结构可以让晶体管具有最好的静电完整性和栅极控制能力；相比同为GAA环栅结构的纳米线，纳米片晶体管因更宽的可变沟道宽度，具有更大且连续可调的驱动电流。然而，纳米级的尺寸下，量子限制效应在晶体管沟道中起到的作用，已经不可忽视，随着沟道二维尺寸——即纳米片厚度和宽度的减小，沟道几何结构变化与强量子约束结合，导致量子限制效应*，从而引起晶体管静电性能变化。

华中科技大学武汉光电国家研究中心缪向水教授团队以基于自行开发的二维泊松-薛定谔量子模拟平台*为研究工具，全面研究了强量子限制效应下通道几何结构变化对亚5nm纳米片晶体管静电性能参数的影响，并对实验数据进行了校准。相关成果以“2D Structural Variation Impact on Electrostatic Performance of Sub-5um Nanosheet Transistors Subject to Strong Quantum Confinement”发表于第五届IEEE电子器件技术与制造会议（IEEE EDTM，全称Electron Devices Technology and Manufacturing Conference），博士研究生罗浩文为第一作者，王兴晟教授为通讯作者。

另外，这是IEEE EDTM会议首次在中国举办，举办地为成都高新区。

*量子限制效应，英文为quantum confinement variation，指微观粒子能量的量子化现象随着其空间运动限制尺寸不断减小而更加明显，由连续的能带变为分立的能级,特别是基态能级向上移动，发生蓝移。

*泊松-薛定谔量子模拟平台， 基于符合薛定谔-泊松方程多物理场构建的仿真平台，可对量子阱、量子线和量子点等量子约束系统中的载流子状态进行模拟仿真。

研究内容

在本项研究中，团队开发了首个二维泊松-薛定谔量子模拟平台研究强量子限制效应下沟道几何结构变化对亚5nm尺寸纳米片晶体管静电性能参数的影响，具体通过DoE（实验计划法）针对包括沟道截面维度的电荷分布、栅电容(Cg)和移动电荷/栅电容比进行研究，并给出量子限制效应、圆角效应*和薄沟道效应*（暂译）的影响分析，为纳米片器件结构的的设计和工艺优化提供了有益的指导。

*圆角效应，round corner effects，因沟道形状并非标准长方体造成的横截面方向的电场不均。

*薄沟道效应，thin channel effect，指Vth因沟道厚度变化而变化的一种纳米产生变化的一种现象，在沟道尺寸较大时，可以忽略该效应的影响，但随着尺寸缩小其影响权重越来越大，因而在纳米片器件设计中需要纳入考量范围。

TEM形貌像以及沟道示意图

沟道电容与电压变化关系图

不同厚度的纳米片电荷分布

不同形状nanosheet示意图

不同栅电压下纳米片的电荷-电阻特性曲线

栅电压与载流子密度、可移动电荷、

栅极电容以及电容分布的关系曲线

前景展望

本文介绍了华中科技大学团队针对纳米片晶体管这一前沿技术进行的研究，探索了在亚5nm超小尺寸条件下在与沟道垂直的横截面二维尺寸上，几何尺寸大小对于器件电性能的影响，这一研究将会为未来纳米片器件的技术落地过程中的结构优化和工艺优化提供指导借鉴意义。

团队介绍

缪向水教授，国务院享受政府特殊津贴专家，在华中科技大学校内担任光学与电子信息学院副院长、武汉国际微电子学院副院长、武汉光电国家实验室信息存储材料及器件研究所所长，华中科技大学校学术委员会委员、中国仪表功能材料学会副理事长、中国微米纳米学会常务理事。

Scientific Reports、IEEE Nanotechnology Magazine杂志编辑。曾荣获新加坡国家技术奖1项、中国国家科技进步奖2项。缪教授主要从事相变存储器、忆阻器、磁存储器、光存储等信息存储材料与器件领域的研究。近5年来主持承担了国家863重大项目子课题、863面上项目、国家国际科技合作项目、国家自然科学基金面上项目、湖北省重大科技攻关项目等15项科研项目。目前共发表论文200余篇，申请国际发明专利15项，国内专利45项。

王兴晟教授，华中科技大学光电信息学院教授，湖北省百人计划入选者。2010年7月获英国格拉斯哥大学博士学位并留校就职，后入职新思科技，任高级工程师。2018年2月回国，任华中科技大学教授。研究方向主要包括：微纳电子器件与系统、随机涨落可变形与可靠性、器件电路协同优化设计、类脑计算等。在电子器件著名期刊和会议IEEE T-ED、EDL、IEDM等发表论文70余篇，包括两个T-ED封面。IEEE高级会员，并担任多个期刊审稿人。

论文原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9421040/