鳍式场效应管FinFET中Hf元素分布的准确表征
一、案例背景
鳍式场效应晶体管，简单说就是种立体结构的芯片晶体管，最早在英特尔 22 纳米工艺上商用。它把原本平躺的沟道竖起来做成鱼鳍状，让栅极从三面包裹住，控制电流更精准，漏电更少。在14 纳米到 5 纳米工艺里大量使用
鳍式场效应晶体管（FinFET）的核心优势在于其三维鳍状结构显著提升了栅极对沟道的静电控制能力，从而在先进制程下实现更低漏电流、更高驱动电流与更强短沟道效应抑制。
1.优异的静电控制与短沟道效应抑制
栅极三面包裹鳍状沟道（而非平面MOSFET的单面顶部控制），大幅增强电场调控，有效抑制漏电流（亚阈值漏电可降至平面器件的1/10以下）和DIBL（漏极诱导势垒降低）。
2.更低静态与动态功耗
亚阈值摆幅（SS）改善30%以上，可在更低电压（Vdd）下工作，同时关态电流极小，适合移动与IoT设备。
3.更高驱动电流与开关速度
三栅结构增大有效沟道面积，导通电流密度提升2–3倍，支持高频高性能计算。
4.无须高掺杂沟道，提升载流子迁移率
超薄鳍体减少杂质散射，提高电子/空穴迁移率，增强器件速度。
5.更优可微缩性
支撑从22nm延续至3nm节点（部分达2nm），在相同面积下集成更高密度晶体管，推动摩尔定律延续。
6.工艺兼容性较好
基于平面CMOS流程改造，相较全环绕栅（GAA）更易量产，2012年起由英特尔等主导商业化。
鳍式场效应晶体管（FinFET）的制备流程以“后栅极（gate-last）+高κ金属栅（HKMG）”工艺为主，核心是立体鳍结构的形成与三面栅包裹。
其工艺中的关键步骤高κ金属栅（HKMG）替换需要去除伪栅，形成沟道区空腔；原子层沉积（ALD）高κ介质HfO₂，再填充金属栅（TiN/TaAlC等），实现三面包裹。
那么HfO2作为关键的栅极材料，如何准确的对其进行分布表征尤为重要。
由于栅极材料通常只有纳米级厚度，为了直观观测其分布，在此案例中我们使用FIB对其进行制样，透射电镜TEM对其进行表征。
该案例中使用的测试表征设备如下图1所示，设备型号分别为及Helios5 Laser PFIB以及Talos F200X G2。
图1：使用设备型号介绍
二、FIB制样与TEM表征
所级中心的FIB为等离子体聚焦离子束（PFIB），最大加工束流可至2.5uA，极大的拓展了加工能力的边界。它使用氙（Xe）等离子体源，去除效率比传统Ga-FIB高20-50倍；并且无Ga离子注入，可以对含有Ga,In,As等元素的样品进行加工制样。下图为不同TEM探头对FinFET截面进行成像的图像，截面的Fin结构清晰可见。
图2：不同的TEM探头对FinFET截面进行成像的图像
三、TEM的EDS分析准确定位出Hf元素分布
为了对纳米级厚度的栅极Hf的分布进行准确表征，本案例中使用了STEM-EDS技术，但是由于Cu与Hf的特征X射线能量差距大概在130eV, 已经小于我们的EDS探头给出的能量分辨率136eV。 这种情况下软件无法自动识别Hf的特征峰。这个时候就需要我们自己根据原始谱图去判断是否有剩余峰存在，需要对Cu元素进行解卷积，分离出Hf的峰在进行单独分析。（Cu干扰来源于透射电镜制样时常用的Cu网，样品杆等）。下图图3所示为原始能谱谱图。图4为解卷积后O,Hf,Si元素的准确分布。
图3：FinFET的STEM-EDS的原始谱图
图4：FinFET内Hf元素的真实准确分布
随着芯片制程的不断推进，更高精度与分辨率的检测手段也需要不断进步。本文案例通过PFIB制样+STEM EDS表征，能量峰解卷积成功从重峰剥离了Hf元素，准确定位了栅极材料Hf元素的分布，为先进表征技术的EDS分析提供了解决案例与手段。
主要参考文章：
1. Thermofisher Scientific
