近來(lái),，IMEC CMOS 器件技術(shù)總監(jiān) Naoto Horiguchi 和 imec 研究員兼 imec 納米互連項(xiàng)目總監(jiān) Zsolt Tokei 接受了采訪,，談到了他們對(duì)1nm等先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)方式的看法。

　　沿著擴(kuò)展路徑,，他們展示了邏輯器件開(kāi)發(fā)需要如何與在生產(chǎn)線后端引入創(chuàng)新并在越來(lái)越大的程度上在生產(chǎn)線中間引入創(chuàng)新齊頭并進(jìn),。

　　問(wèn)：您如何看待未來(lái)幾年邏輯設(shè)備的擴(kuò)展？

　　Naoto Horiguchi：大多數(shù) IDM 和代工廠最近都宣布從主流 FinFET 過(guò)渡到用于其 3nm 或 2nm 邏輯技術(shù)世代的環(huán)柵 （GAA） 納米片 FET 架構(gòu),。imec 的一項(xiàng)發(fā)明forksheet 結(jié)構(gòu)則可以延長(zhǎng)這種納米片的生成,。在forksheet之后，我們預(yù)計(jì)互補(bǔ) FET （CFET） 將進(jìn)入邏輯擴(kuò)展路線圖,?！?/p>

　　”這些轉(zhuǎn)變將使我們能夠逐步推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)單元在 4T 以下的軌道高度縮放，同時(shí)仍然提供功率性能優(yōu)勢(shì)。

　　除了 CFET,，二硫化鎢 （WS 2 ）等二維單層晶體材料有望替代 CMOS 溝道中的 Si,，為進(jìn)一步縮小柵極長(zhǎng)度提供機(jī)會(huì)?！?/p>

　　問(wèn)：這些創(chuàng)新將如何影響B(tài)EOL,？后端和MOL需要哪些發(fā)展才能跟上FEOL的擴(kuò)展？

　　Zsolt Tokei：”FEOL）的高級(jí)擴(kuò)展需要與BEOL）的創(chuàng)新齊頭并進(jìn),，這就需要無(wú)縫連接到底層設(shè)備結(jié)構(gòu)的互連網(wǎng)絡(luò),。隨著 forksheet 架構(gòu)進(jìn)入路線圖，單元高度被推到 5T 以下,，關(guān)鍵 BEOL 層中的金屬間距將變得小到 20nm 及以下,。從電容、電阻（通孔和導(dǎo)線）以及成本,、可印刷性和可靠性的角度來(lái)看,，這都極具挑戰(zhàn)性——需要在設(shè)計(jì)、模塊和材料層面進(jìn)行創(chuàng)新,。這推動(dòng)了新互連集成方案的發(fā)展,，例如混合通孔金屬化（解決通孔電阻增加）和半鑲嵌工藝流程——作為當(dāng)今主流銅雙鑲嵌工藝的替代品。半鑲嵌涉及金屬的直接蝕刻以獲得更高縱橫比的線條,，并且可以包括間隙填充,。

　　Naoto Horiguchi：“為了加強(qiáng)先進(jìn)邏輯器件縮放和互連開(kāi)發(fā)之間的協(xié)同作用，MOL）活動(dòng)開(kāi)始發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,。將 BEOL 和 FEOL 連接在一起的 MOL 長(zhǎng)期以來(lái)一直被組織為源極,、漏極和柵極的單層接觸。

　　但向低于 5T 電池架構(gòu)的過(guò)渡推動(dòng)了向多層 MOL 結(jié)構(gòu)的演變,，其中添加了額外的層和通孔——類(lèi)似于過(guò)去 BEOL 的演變方式,。”

　　問(wèn)：您的團(tuán)隊(duì)最近取得了哪些突破,？

　　Naoto Horiguchi：“雖然forksheet器件架構(gòu)的面積和性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)通過(guò) TCAD 模擬顯示出來(lái)，但我們現(xiàn)在首次展示了功能集成 forksheet的FET 器件的電氣特性——這一突破性成果將在 2021 VLSI 上得到強(qiáng)調(diào),。我們已經(jīng)展示了該架構(gòu)的關(guān)鍵模塊,，包括介電壁和 17nm np 間距的替代金屬柵極圖案。盡管forksheet設(shè)備是三門(mén)設(shè)備架構(gòu),，但在我們的工作中沒(méi)有觀察到靜電性能下降,。”

　　問(wèn)：從納米互連的角度來(lái)看,，imec 正在探索哪些途徑來(lái)補(bǔ)充這一成就,？

　　Zsolt Tokei：forksheet等擴(kuò)展納米片架構(gòu)需要新的 BEOL 集成方案，例如半鑲嵌，以實(shí)現(xiàn)低于 20 納米的金屬間距,。同時(shí),，我們正在開(kāi)發(fā)新的多層 MOL 布線方案，例如垂直-水平-垂直 （VHV） 方案,。結(jié)合縮放增強(qiáng)器（例如自對(duì)準(zhǔn)觸點(diǎn)和埋入式電源軌 （BPR））,，這些多層 MOL 方案將為在更小單元高度上實(shí)現(xiàn)更高效的單元內(nèi)布線鋪平道路?！?/p>

　　Naoto Horiguchi：”在 MOL 中實(shí)施多層工藝流程,，結(jié)合諸如埋入式電源軌 （BPR） 之類(lèi)的縮放助推器，這將在很大程度上增強(qiáng)我們基于forksheet的電池設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性,，將軌道高度從 5T 推到 4T,。因此，在 MOL 中引入semi-damascene是 FEOL,、MOL 和 BEOL 活動(dòng)之間cross-fertilization所帶來(lái)好處的另一個(gè)例子,。“

　　問(wèn)：您期望實(shí)現(xiàn)的下一個(gè)重要里程碑是什么,？

　　Naoto Horiguchi：”在 forksheet 關(guān)鍵模塊和設(shè)備演示之后,，我們的計(jì)劃重點(diǎn)將逐漸從 forksheet 轉(zhuǎn)移到 CFET。

　　CFET 架構(gòu)由于其許多自由度而很復(fù)雜,。Imec 將量化功率性能面積 （PPA） 優(yōu)勢(shì)和 CFET 工藝流程的復(fù)雜性,，并向我們的合作伙伴推薦最佳選擇。雖然納米片,、forksheet和 CFET 架構(gòu)將逐漸將單元軌道高度降低到 4T 及以上,，但我們正在探索替代器件架構(gòu)，以解決接觸多節(jié)距 （CPP） 縮放速度放緩的問(wèn)題,，該接觸多節(jié)距 （CPP） 測(cè)量從一個(gè)晶體管的柵極接觸到相鄰設(shè)備上的柵極,。“

　　Zsolt Tokei：”向 1nm CFET 系列邏輯器件的發(fā)展推動(dòng)了新 BEOL 和 MOL 解決方案的開(kāi)發(fā),。在 BEOL 中,，我們?cè)缧r(shí)候提出了一種新的金屬化結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為“零通孔混合高度”,。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,，每個(gè)金屬層現(xiàn)在被分成三個(gè)獨(dú)立的子層，這允許根據(jù)它們的應(yīng)用需要調(diào)整金屬線的高度和縱橫比（因此,，電容的交換電阻）,。

　　我們很高興報(bào)告第一次 SRAM 評(píng)估，確認(rèn)讀取速度（30%）和寫(xiě)入余量（50%）顯著提高,。目前,，我們正在努力實(shí)現(xiàn)真正的邏輯單元布局,。“

　　”從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，我們需要通過(guò)引入新的導(dǎo)體來(lái)補(bǔ)充這些集成方案,。感興趣的是具有比 Ru 或 Mo 更好的品質(zhì)因數(shù)的有序二元或三元化合物。我們已經(jīng)通過(guò)第一次 ab initio 模擬和初步實(shí)驗(yàn)開(kāi)拓了這一領(lǐng)域,，現(xiàn)在我們正在與 imec 的材料研發(fā)小組密切合作,，加強(qiáng)我們的活動(dòng)?！?/p>

　　問(wèn)：您希望芯片行業(yè)記住的關(guān)鍵信息是什么,？

　　Naoto Horiguchi：”近年來(lái)，有一些人聲稱(chēng)傳統(tǒng)的 CMOS 縮放已經(jīng)走到了盡頭,。但是隨著許多創(chuàng)新的進(jìn)行,，我們相信我們可以在至少未來(lái)十年內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)大 CMOS 規(guī)模。Imec 是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好地方,。與合作伙伴的密切合作幫助我們應(yīng)對(duì)行業(yè)最大的挑戰(zhàn),，并將邏輯器件擴(kuò)展到 1nm 技術(shù)之外——利用與 imec 的納米互連、Insite 和材料開(kāi)發(fā)活動(dòng)的緊密合作,?！?/p>

　　Zsolt Tokei：”同樣從 BEOL 的角度來(lái)看，我們有許多有趣且有效的選擇,，使我們能夠在未來(lái)十年解決 RC 延遲瓶頸和流水線互連,。我們可以為我們的合作伙伴提供一個(gè)全面的路線圖，其中包含與未來(lái)邏輯器件縮放相關(guān)的廣泛選項(xiàng),，其中的元素可以重新用于存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā),。我們正在通過(guò)新的見(jiàn)解、改進(jìn)的集成方案和新材料不斷豐富這一路線圖——其中一些還將在 7 月份即將舉行的 IITC 會(huì)議上展示,?！?/p>

　　2nm后，晶體管的新選擇

　　本周,，在 2021 年 VLSI 技術(shù)和電路研討會(huì) （VLSI 2021） 上,，世界領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究和創(chuàng)新中心 imec 首次展示了全功能集成forksheet場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET）。據(jù)介紹,，具有短溝道控制 （SSSAT=66-68mV/dec）,，可與低至 22nm 柵極長(zhǎng)度的全環(huán)柵 （GAA） 納米片器件相媲美。雙功函數(shù)金屬柵極（Dual work function metal gates）以 17nm 間距集成在 n 和 pFET 之間,，突出了 forksheet 器件在高級(jí) CMOS 面積縮放方面的主要優(yōu)勢(shì),。

　　forksheet 器件最近被 imec 提出作為最有前途的器件架構(gòu),，以擴(kuò)展 GAA 納米片器件的生成,，并具有超出 2nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的額外縮放和性能,。與納米片器件不同，這些片現(xiàn)在由tri-gate forked結(jié)構(gòu)控制——通過(guò)在柵極圖案化之前在 p 和 nMOS 器件之間引入介電壁（dielectric wall ）來(lái)實(shí)現(xiàn),。該壁將 p 柵極溝槽與 n 柵極溝槽物理隔離,，允許比 FinFET 或納米片器件更緊密的 n 到 p 間距。早期基于 TCAD 模擬的技術(shù)評(píng)估顯示,，這個(gè)晶體管擁有卓越的面積和性能可擴(kuò)展性,。性能提升主要?dú)w因于減小的米勒電容——由更小的柵極-漏極重疊導(dǎo)致。

　　Imec 首次展示了其forksheet器件的電氣特性,，該器件通過(guò)使用 300 毫米工藝流程成功集成,，柵極長(zhǎng)度低至 22 納米。發(fā)現(xiàn) n- 和 pFET 都具有兩個(gè)堆疊的硅通道,，都具有完整的功能,。它們的短通道控制 （SSSAT = 66-68mV） 與在同一晶片上共集成的垂直堆疊納米片器件的短通道控制相當(dāng)。對(duì)于 forksheet 器件,，使用替代金屬柵極流在 17nm 的 np 空間（約為最先進(jìn)的 FinFET 技術(shù)中的間距的 35%）集成了雙功函數(shù)金屬柵極,，突出了其中之一新設(shè)備架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)。

　　”從 2022 年開(kāi)始,，預(yù)計(jì)今天的前沿 FinFET 晶體管將逐漸讓位于大批量制造中的垂直堆疊納米片晶體管,，因?yàn)?FinFET 無(wú)法在縮放尺寸上提供足夠的性能，“ CMOS 設(shè)備總監(jiān) Naoto Horiguchi 解釋說(shuō)imec 的技術(shù),?！比欢に囅拗茖⑾拗萍{米片的 n 和 p 器件可以組合在一起的距離,，從而對(duì)進(jìn)一步降低電池高度構(gòu)成挑戰(zhàn),。新的 forksheet 器件架構(gòu)——GAA 納米片器件的自然演變——有望突破這一極限，允許軌道高度從 5T 縮放到 4.3T,，同時(shí)仍提供性能增益,。或者,，通過(guò)叉板設(shè)計(jì),，可用空間可用于增加板寬度，從而進(jìn)一步增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流,。

　　從Forksheet到CFET

　　在2019年的VLSI座談會(huì)上,，imec表示將會(huì)把CFET應(yīng)用到5納米、3納米,、2納米上,，筆者就此向其中一位演講者提出：“imec計(jì)劃從哪個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始使用CFET”？得到了以下回答：“就此,，目前imec還沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn)”,。

　　后來(lái),，imec在其內(nèi)部達(dá)成了以下共識(shí)：3納米之前采用Nanosheet、2納米采用Forksheet,、1納米采用CFET,。也就是說(shuō)，在此次VLSI座談會(huì)上,，imec的其他發(fā)言人,，如Sujith Subramanian先生，也是基于以上技術(shù)藍(lán)圖而做的發(fā)表,。（如下圖）

　　圖一

　　從上圖可以清晰地看出FinFET,、Nanosheet、Forksheet,、CFET的結(jié)構(gòu)變化,。從FinFET到CFET，通過(guò)將Contact Poly Pitch（PP）做到最小,、分離nMOS和pMOS,，以達(dá)到縮小SRAM面積的效果。

　　在歷年的VLSI座談會(huì)上從未出現(xiàn)過(guò)Forksheet這中晶體管結(jié)構(gòu),，今年是第一次,，首先做成Nanosheet、然后用絕緣壁膜將其內(nèi)部分離,，就能將nMOS和pMOS分離（如下圖）,，與其說(shuō)將nMOS和pMOS的Nanosheet分離有意義，不如說(shuō)工藝的削減更有意義,。

　　圖2

　　此外,，在1納米中，采用了將nMOS和pMOS縱向排列的CFET（如下圖8）,，雖然CFET的工藝流程非常復(fù)雜,，但毫無(wú)疑問(wèn)，極大地縮小了CMOS,、SRAM的面積,，達(dá)到了集成化。問(wèn)題是---是否做到了人們所期待的晶體管的特性,，這是未來(lái)研發(fā)的關(guān)鍵,。

　　圖3

　　1nm以后的晶體管選擇：CFET？

　　在VLSI 2020上,，IMEC發(fā)表了有關(guān)單片CFET的有趣論文,，我有機(jī)會(huì)采訪了其中一位作者Airoura Hiroaki。在業(yè)界眾所周知,，F(xiàn)inFET（FF）即將達(dá)到其定標(biāo)壽命,。三星已經(jīng)宣布,，他們將在3nm的時(shí)候轉(zhuǎn)向水平納米片（Horizontal Nanosheets ：HNS）。臺(tái)積電（TSMC）保持3nm的FF,，但預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)移到2nm的新架構(gòu)。

　　假設(shè)英特爾當(dāng)時(shí)仍在追求自己的技術(shù),，則預(yù)計(jì)英特爾將保留7nm的FF,，然后再遷移至5nm的HNS。

　　該行業(yè)最可能的路線圖是從FF到帶有或不帶有Forksheets的HNS,，然后過(guò)渡到CFET（Complimentary FETs）,，請(qǐng)參見(jiàn)圖1。

　　從以上技術(shù)藍(lán)圖來(lái)看,，28納米使用了High-K/Metal Gate,，16納米---14納米導(dǎo)入了FinFET，7納米---5納米采用了EUV曝光設(shè)備,，此外,，還將Co應(yīng)用于Middle of Line（MOL）上。

　　MOL是一種將晶體管（FOEL）與多層配線（BEOL）連接在一起的孔（Via）,，雖然imec使用了Co,，還有其他選擇項(xiàng)如Mo、Ru等,。

　　此外,，4納米---3納米中采用了具有Nanosheet結(jié)構(gòu)的晶體管。

　　此次的VLSI座談會(huì)上,，有關(guān)7納米,、5納米、3納米的文章發(fā)布得比較多,，然而,，筆者卻發(fā)現(xiàn)將Gate All Around（GAA）的Nanosheet結(jié)構(gòu)應(yīng)用在這些節(jié)點(diǎn)上的情況是全球共通的認(rèn)知。

　　同時(shí)從技術(shù)藍(lán)圖看,，在2納米中,，使用搭載了Buried Power Rail（BPR，在晶體管下埋入電源線的構(gòu)造）的Forksheet晶體管,；在1納米中,，將會(huì)使用采用了BPR的Complementary FET（CFET）。

　　imec在其內(nèi)部達(dá)成了以下共識(shí)：3納米之前采用Nanosheet,、2納米采用Forksheet,、1納米采用CFET。

　　也就是說(shuō),，在此次VLSI座談會(huì)上,，imec也是基于以上技術(shù)藍(lán)圖而做的發(fā)表,。從上圖可以清晰地看出FinFET、Nanosheet,、Forksheet,、CFET的結(jié)構(gòu)變化。

　　從FinFET到CFET,，通過(guò)將Contact Poly Pitch（PP）做到最小,、分離nMOS和pMOS，以達(dá)到縮小SRAM面積的效果,。

　　Forksheet 和CFET通過(guò)堆疊nFET和pFET器件的CFET改善n到p的間距來(lái)縮小尺寸,，見(jiàn)圖3。

　　CFET結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的工作中,，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了“單片”（monolithic） CFET,，方法是將單獨(dú)的硅片用于nFET和pFET，然后將它們粘合在一起,，而按照順序（sequential）,，CFET則會(huì)將兩種類(lèi)型的FET都制造在同一硅片上。

　　Imec聲稱(chēng)單片技術(shù)比順序技術(shù)便宜,，而順序技術(shù)要求SOI會(huì)增加襯底成本1％,。

　　片CFET的成本優(yōu)勢(shì)在1納米中，IMEC采用了將nMOS和pMOS縱向排列的CFET（如下圖8）,，雖然CFET的工藝流程非常復(fù)雜,，但毫無(wú)疑問(wèn)，極大地縮小了CMOS,、SRAM的面積,，達(dá)到了集成化。

　　問(wèn)題是——是否做到了人們所期待的晶體管的特性,，這是未來(lái)研發(fā)的關(guān)鍵,。

　　我發(fā)現(xiàn)起始晶圓成本高出約1％，這有兩個(gè)原因,，一是,，我不相信順序CFET需要SOI，二是,，SOI比標(biāo)準(zhǔn)晶圓貴了約1％,。整體方法還將需要兩個(gè)起始晶圓，而不僅僅是一個(gè),。

　　我認(rèn)為這種成本分析需要更多的調(diào)查,。在單片方法中，nFET和pFET在分離的晶圓上制造，從而可以針對(duì)該器件優(yōu)化每個(gè)器件的制造流程,。

　　隨著我們朝N3方向發(fā)展,，n到p的分離減少了寄生效應(yīng)并提高了性能。同樣,，通過(guò)從FF移至GAA）可以在所有四個(gè)側(cè)面而不是三個(gè)側(cè)面上提供一個(gè)柵極,，從而改善了靜電控制。

　　這項(xiàng)工作中制造的單片CFET為下一代器件提供了順序CFET的替代方案,，需要進(jìn)一步研究,。