🔷GAA/Nanosheet持續微縮，BTI、HCD、TDDB可靠性挑戰全面解析

🔷從Inner Spacer到自熱效應，揭示下一代電晶體Scaling關鍵難題

在先進製程不斷逼近物理極限的今天，電晶體的競爭已經不只是“做得更小”，而是如何在更小尺寸下同時守住性能、功耗與可靠性。從FinFET邁向GAA/Nanosheet，再到Forksheet乃至CFET，器件結構正在經歷一場深刻變革。但一個很有意思的問題也隨之而來：架構越來越複雜之後，BTI、HCD、TDDB這些傳統可靠性問題會不會成為先進製程繼續Scaling的“攔路虎”？

這次小編就結合IMEC關於新型器件架構可靠性的分享，帶大家從FinFET一路看到GAA、Nanosheet、Forksheet與CFET，重點拆解BTI、熱載流子退化HCD、TDDB、Inner Spacer以及Self-Heating等關鍵問題。尤其值得關注的是，隨著電晶體進入更加立體的三維結構，自熱效應正在變得越來越重要，而可靠性設計也開始從單一材料問題走向器件結構、材料與熱管理的協同最佳化。

一、這份材料真正想說明什麼？

當先進邏輯電晶體從 FinFET 進入 GAA/Nanosheet，並進一步走向 Forksheet、CFET 時，電晶體架構雖然發生巨大變化，但底層可靠性失效機制並沒有被重新定義；真正越來越棘手的是尺寸縮小、三維結構、局部電場和自熱效應共同放大傳統可靠性問題。報告重點圍繞 BTI、HCD、TDDB、自熱、Inner Spacer 以及 Forksheet 介質牆展開。

二、FinFET繼續微縮逼近極限，GAA/Nanosheet成為先進邏輯繼續Scaling的重要架構

報告首先從 CMOS Scaling 路線講起。傳統 FinFET 在持續壓縮 Contacted Gate Pitch（CGP）時，開始受到柵長、Spacer寬度、Contact寬度以及靜電控制能力等多重限制。IMEC 給出的邏輯路線也非常明確：器件架構正在沿著 Planar → FinFET → GAA/Nanosheet → Forksheet → CFET 演進。

GAA的價值在於柵極能夠更加充分地包圍溝道，從而提高靜電控制能力，使柵長能夠突破FinFET進一步縮小。尤其是堆疊Nanosheet，在相同Footprint下能夠獲得更大的有效溝道寬度 Weff，因此不僅提升單位面積性能，而且給予電路設計者更大的電晶體寬度調節自由度。報告還指出，相比FinFET離散增加Fin數量，Nanosheet可以通過Sheet寬度連續調節器件性能，這對於SRAM variability最佳化也非常重要。

所以，GAA並不僅僅是把Fin“橫過來”，而是先進邏輯電晶體從二維/准三維結構進一步邁向真正三維溝道控制的重要轉折點。

三、架構變了，但電晶體可靠性的底層機制並沒有變：BTI、HCD、TDDB仍然是三大核心問題

IMEC特別強調一個非常重要的結論：從FinFET進入GAA之後，FEOL的基本退化機制並沒有發生根本變化。

現代MOSFET內部的氧化層、Si/oxide介面以及High-k介質都並非理想材料，其中存在大量缺陷和陷阱。這些缺陷可以捕獲/釋放載流子，也可能在電場和溫度作用下不斷生成，最終表現為閾值電壓漂移、漏電增加以及介質擊穿。

BTI（Bias Temperature Instability）陷阱捕獲以及介面缺陷生成，引起Vth等參數漂移；

HCD（Hot Carrier Degradation）高能載流子尤其在漏極附近產生介面缺陷和氧化層電荷；

TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）介質內部缺陷不斷累積，最終形成貫穿性的導電路徑；

此外還有 SILC、Off-State Stress以及Self-Heating 等問題。

報告對FinFET時代的經驗進行了回顧，發現不同FinFET節點之間NBTI總體趨勢相近，PBTI改善更多與High-k厚度縮小有關，而真正隨著幾何尺寸縮小變得越來越突出的問題之一，是Self-Heating對HCD的影響不斷增強。

這意味著進入GAA時代以後，並不是突然出現了一套全新的可靠性物理，而是傳統可靠性機制在新的三維結構和更激進Scaling條件下被重新放大。

四、GAA/Nanosheet最大的可靠性變數之一，是越來越嚴重的“自熱效應”

這是整份報告非常值得關注的一條主線。

從FinFET到Nanosheet之後，器件結構越來越緊湊，溝道被柵極和周圍介質更加完整地包圍，雖然這提升了靜電控制能力，卻也使熱量更難快速傳匯出去。

因此隨著器件Scaling：Self-Heating Effect（SHE）正在從一個附加問題，逐漸成為先進電晶體可靠性的核心約束之一。

溫度升高會加快載流子的捕獲/釋放以及介質內部缺陷生成，因此可能加劇BTI和TDDB；與此同時，它對HCD的影響更加複雜。報告指出，自熱尤其可能加速 pFET HCD，而nFET受到的影響可能較小甚至出現不同趨勢。

進入Nanosheet以後，這個問題還會繼續增強。因此IMEC在GAA結論部分特別指出Self-heating 與 HCD thermal activation 進一步增強，使HCD和On-State TDDB成為受影響最明顯的可靠性機制之一。

這也意味著未來電晶體可靠性設計已經不能只看電場和材料缺陷，還必須同時考慮電—熱耦合（Electro-Thermal Coupling）。

五、Nanosheet帶來了新的設計自由度，但“Sheet尺寸”本身也變成了可靠性參數

FinFET時代主要關注Fin寬度、Fin高度、柵長、氧化層厚度等參數，而進入Nanosheet之後，又多出了一個非常重要的變數 WSHEET——Nanosheet寬度。

IMEC指出，WSHEET會直接影響BTI和HCD可靠性，因此它已經不只是決定驅動能力和性能的參數，也成為可靠性設計參數。與此同時，Nanosheet厚度、寬度持續縮小還會引入幾個相互關聯的問題：溝道表面晶向比例發生變化、局部電場進一步增強、LG繼續縮短導致橫向電場提高，以及更強的自熱。

因此GAA Scaling存在一個非常典型的矛盾：

更小尺寸 → 更強靜電控制和更高整合度；
但同時 → 更高局部電場、更強自熱以及更複雜的可靠性退化。

IMEC因此認為，未來GAA可靠性最佳化必須進入結構—材料—熱管理協同設計階段。報告提到的潛在最佳化方向包括SiGe Channel Nanosheet、Thermal Heatsink以及Plasma Treatment降低Trap Density等。

六、GAA還帶來一個FinFET時代沒有那麼突出的新問題：Inner Spacer可靠性

Nanosheet為了形成Gate-All-Around結構，需要引入更加複雜的Inner Spacer。

而先進節點為了提升性能，又希望不斷縮小Spacer厚度，同時採用Low-k材料降低寄生電容，這就形成了一個新的矛盾Spacer越薄、k值越低越有利於性能，但其電場和介質可靠性壓力可能越大。

因此IMEC專門討論了 Inner Spacer TDDB。報告指出，需要控制Inner Spacer的厚度、形貌和材料質量，並區分Gate-to-Substrate等不同擊穿路徑。

不過這裡有一個很重要的結論，目前Inner Spacer TDDB並沒有表現為GAA繼續Scaling的“致命瓶頸”。

IMEC給出的結果顯示，在其評估條件下，Inner Spacer的最大場強大約可控制在 3 MV/cm @125°C、100 ppm的器件規格範圍內。因此它屬於必須持續評估和最佳化的新可靠性項目，但目前並不是阻止Nanosheet落地的Show-stopper。

七、從Nanosheet繼續走向Forksheet、CFET，真正的挑戰將從“電晶體本身”轉向“結構整合+熱管理”

報告最後把視野進一步推進到 Forksheet和CFET。

Forksheet可以理解為在N/P器件之間引入一堵非常薄的Dielectric Wall（介質牆），進一步縮小N/P器件間距，從而繼續壓縮標準單元面積。它的價值主要不是繼續大幅改善靜電控制，而是推動PPAC和Cell Scaling。這也帶來了新的可靠性問題：介質牆本身是否存在大量陷阱？N/P之間的電場是否會導致電荷捕獲？Hot Carrier是否會在介質牆中積累電荷？這些問題都會影響Vth和器件長期穩定性。

但IMEC目前的研究結果相對積極：Forksheet介質牆中的固定電荷主要導致VTH0偏移，對溝道靜電控制影響較小；Hot Carrier在Wall中的電荷捕獲影響也較有限，並沒有觀察到其明顯惡化PBTI、NBTI、TDDB或者HCD。

因此Forksheet目前同樣沒有發現明顯的Fundamental Reliability Show-stopper。

再往後的 CFET 則會把NMOS和PMOS進一步進行垂直堆疊。此時可靠性問題可能進一步從單個電晶體轉向整個三維整合結構，特別是熱問題。IMEC認為CFET最值得警惕的Intrinsic Reliability Challenge很可能就是Thermal，而大量Contact、Isolation、Integration Process帶來的Extrinsic Reliability也必須重新Qualification。

從FinFET進入GAA/Nanosheet，再向Forksheet和CFET演進，並沒有出現一種全新的、足以阻擋先進邏輯繼續Scaling的可靠性失效機制；真正的挑戰，是傳統BTI、HCD、TDDB在更小尺寸、更高電場、更複雜三維結構和更嚴重自熱環境下被持續放大。(芯聯匯)

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IMEC全面解析：從FinFET到GAA、Forksheet、CFET，先進電晶體可靠性技術演進！