在之前召開的IEDM年度會(huì)議上,，總共進(jìn)行了六次小組討論式的演講。其中,，由IMEC Technology Solutions and Enablement的高級(jí)副總裁Myung‐Hee Na先生做的一個(gè)題為《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的演講最有意思,。本篇開始將逐個(gè)回顧演講內(nèi)容，由于演講內(nèi)容有不充分的地方,，筆者為了讀者易于理解,，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充了演講內(nèi)容。

　　需要說(shuō)明的是，雖然這是一個(gè)說(shuō)明未來(lái)CMOS邏輯技術(shù)的講座,，但當(dāng)中卻省略了數(shù)個(gè)基本的前提：

　　第一,，以MOSFET（MOS晶體管）的結(jié)構(gòu)為前提。在28納米一一22納米的世代,，芯片晶體管采用的是傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)MOS晶體管技術(shù),，因此很難繼續(xù)微縮化。到了16/14納米及以后的技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)代,，以FinFET為代表的立體結(jié)構(gòu)的MOS晶體管成為了基礎(chǔ)前提,。

　　第二，是支配CMOS邏輯性能的主要原因,。之前,，能否提升MOS晶體管性能（縮短延遲時(shí)間、增加ON電流）關(guān)系著CMOS邏輯的性能,。但是,，就大型、高速CMOS邏輯而言,，無(wú)法忽視金屬排線引起的時(shí)間延誤（且越來(lái)越大）,。對(duì)16/14納米世代以后的技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言，縮短排線引起的時(shí)間延誤（或者不延長(zhǎng)）對(duì)CMOS邏輯的性能提升極其重要,。

　　2025年前的CMOS技術(shù)藍(lán)圖

　　在演講之初,，Myung‐Hee Na先生首先展示了CMOS邏輯生產(chǎn)技術(shù)的微縮化技術(shù)藍(lán)圖。時(shí)間軸（橫軸）范圍為2011年一一2025年,?？v軸為用對(duì)數(shù)表示的單位生產(chǎn)成本（美元單元）下晶體管數(shù)量，以2為底數(shù),。在2019年的7納米技術(shù)之前,，幾乎都保持一定比率，從中也可以看出單位生產(chǎn)本下晶體管數(shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì),。

　　CMOS邏輯的微縮化技術(shù)節(jié)點(diǎn),、晶體管的生產(chǎn)成本（以美元為單位下的晶體管數(shù)量、以2為底數(shù)）推移,。

　　以上技術(shù)藍(lán)圖詳細(xì)地說(shuō)明了MOS晶體管技術(shù)的變遷,。在28納米技術(shù)世代，平面型MOS晶體管導(dǎo)入了HKMG（High-K Metal Gate,，高介電常數(shù)金屬閘極）技術(shù),。16/14納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，晶體管走向3D化,，成為了FinFET,。后來(lái),，F(xiàn)inFET持續(xù)了一段時(shí)間。

　　7納米技術(shù)到5納米技術(shù)器件,，光刻技術(shù)發(fā)生了巨大的變化,。不采用以往的ArF激光浸沒(méi)式光刻，而是導(dǎo)入了EUV（Extreme Ultraviolet,，極紫外光刻）光刻技術(shù),。此外，將鈷（Co）金屬應(yīng)用于MOL（middle of the line）的排線材料也開始被廠商引入,。

　　4納米以后的技術(shù)則屬于未來(lái),。據(jù)預(yù)測(cè)，從4納米技術(shù)到3納米技術(shù),，晶體管將不再采用FinFET,而是納米結(jié)構(gòu)的MOS晶體管,。3納米以后的晶體管技術(shù)，即1.5納米技術(shù),、1.0納米技術(shù)后補(bǔ)將會(huì)在下一節(jié)進(jìn)行說(shuō)明,。

　　就此技術(shù)藍(lán)圖而言，我們應(yīng)該關(guān)注的是時(shí)間軸下面的內(nèi)容,。28納米技術(shù)到20納米技術(shù)之間的演進(jìn),。在這個(gè)階段，支持微縮化（提高晶體管密度）的手段主要是利用光刻技術(shù)使排線和晶體管的節(jié)距（Pitch）縮小,。但是,，20納米以后，節(jié)距無(wú)法再縮短,。于是,，通過(guò)下調(diào)CMOS邏輯的基本單元（Standard Cell）的高度（按照最下層排線的數(shù)量來(lái)計(jì)算），與之前一樣提高了密度,。但是,，越來(lái)越難下調(diào)基本單元的高度。據(jù)預(yù)測(cè),，未來(lái),，會(huì)研發(fā)使副系統(tǒng),、線路邏輯實(shí)現(xiàn)微縮化的技術(shù),。

　　資料顯示,，在28納米之前,，通過(guò)縮短MOSFET柵極長(zhǎng)度（Gate,， Chanel 長(zhǎng)度）和排線節(jié)距,，邏輯的基本單元（Standard Cell）面積幾乎是每世代縮小一半,，但是,，22納米世代以后,，柵極長(zhǎng)度卻很難像以往一樣縮短了,。短?hào)艠O效果使MOSFET的閾值電壓不均勻，最終導(dǎo)致無(wú)法縮短?hào)艠O長(zhǎng)度,。

　　因此，16/14納米世代之后開始使MOSFET的柵極3D化,，在不縮短?hào)艠O長(zhǎng)度的情況下,，縮小MOSFET的尺寸（硅基板表面和平行方向的尺寸）,。此處立體柵極的代表就是FinFET。通過(guò)縮小作為柵極的Fin的節(jié)距,，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)微縮化,。但是，與傳統(tǒng)的平面型MOSFET相比,，尺寸縮小的比例變小了,。這樣下去，就無(wú)法使基本單元的面積縮小一半,。

　　于是,，通過(guò)降低基本單元的高度（Cell Height），使基本單元的面積縮短至上一代的一半,。基本單元的高度由與Fin保持同樣方向（水平方向）的最下層金屬排線（M0或者M(jìn)1）的數(shù)量（Track數(shù)量）決定。比方說(shuō),，10 Track（10T）的意思是一個(gè)基本單元上有10根金屬排線,。如果在減少Track數(shù)量的同時(shí)，縮短節(jié)距,，就可以大幅度降低基本單元的高度,。在16/14納米到5納米的世代中,，降低了基本單元的高度,，這對(duì)縮小基本單元面積,、即提高CMOS邏輯晶體管密度發(fā)揮了巨大作用,。

　　但是，必須將排線的數(shù)量確保在某個(gè)范圍內(nèi),。金屬排線由電源/接地線,、信號(hào)線構(gòu)成,。都對(duì)CMOS邏輯的基本單元極其重要。

　　通過(guò)內(nèi)埋電源/接地線，進(jìn)一步減少排線的數(shù)量

　　Myung‐Hee Na先生的演講中提到，很難將基本單元的Track數(shù)量從6T（Track）降至更低,。下圖的基本單元是CMOS  Inverter線路,。在論述縮小基本單元的時(shí)候,，一般會(huì)處理晶體管數(shù)量最小的理論柵極一一Inverter（理論反轉(zhuǎn)）。

　　下圖是imec的技術(shù)藍(lán)圖（相當(dāng)于5納米節(jié)點(diǎn)的基本單元）,。Fin數(shù)量如下，2個(gè)p 型FinFET 和n型FinFET,。單元高度為6T,。如果想要進(jìn)一步減少Track數(shù)量,，就存在以下問(wèn)題：難以使電源/接地線的寬度變得更細(xì)（原因是無(wú)法提高電阻）、難以縮小FinFET的尺寸、難以縮小p型FinFET和n型FinFET的距離（為了確保元件分離）。

　　CMOS邏輯基本單元的斷面構(gòu)造圖（FinFET的Fin和最下層金屬排線直接交叉方向的斷面圖）,。單元的高度為6Track（6T）。為了進(jìn)一步提高CMOS邏輯的密度,，要想減少Track的數(shù)量,，存在多個(gè)問(wèn)題,。

　　解決以上問(wèn)題的有效辦法是將電源/接地線埋入基板，即BPR（Buried Power Rails）,。利用BPR方法，可將Track數(shù)量減少至5T,，此外,，可以將信號(hào)排線數(shù)量保持為4T,。采用了BPR方法的5T單元，被imec定義為3納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)的后補(bǔ),。

　　將單元的高度下調(diào)至5T的CMOS邏輯的基本單元的斷面構(gòu)造圖（FinFET的Fin和最下層的金屬排線直接相交方向的斷面圖）,。將電源排線和接地排線埋入基板（BPR）。

　　由于可以提高BPR下的電源/接地線的縱橫比,，因此,，也容易降低電阻。但是,，F(xiàn)inFET的Fin數(shù)量減少為了一個(gè),，與6T 單元相比，晶體管（FinFET）的電流驅(qū)動(dòng)能力（以柵極為單位）會(huì)下降,。晶體管的密度雖然得以提高,，但很可能需要在防止性能下滑方面下功夫。

　　Myung‐Hee Na先生的演講中提到，通過(guò)采用BPR（Buried Power Rails,，將電源/接地排線埋入基板的技術(shù)）技術(shù)和減少FinFET的Fin數(shù)量,，實(shí)現(xiàn)了5T的基本單元?；締卧臄嗝鏄?gòu)造如上文所示,。

　　導(dǎo)入了BPR之后，基本單元的構(gòu)造將比之前更復(fù)雜,，這是因?yàn)樾枰獜木w管上面排列的電源/接地線網(wǎng)絡(luò)（PDN：Power Delivery Network）向BPR供給電源,。具體而言，為了將PDN的排線網(wǎng)絡(luò)和BPR結(jié)合,，需要具有以下結(jié)構(gòu)：在垂直方向形成連接導(dǎo)孔（Via）,、電極層等的細(xì)長(zhǎng)柱狀結(jié)構(gòu)。在形成此種結(jié)構(gòu)的工藝中,，增加了晶體管的制造工藝（FEOL）,。此外，也增加了基本單元的硅面積,。

　　采用了BPR（BPR：Buried Power Rails,，將電源/接地線埋入基板的技術(shù)）技術(shù)的CMOS邏輯基本單元的斷面結(jié)構(gòu)。需要向BPR供給電源（白色箭頭部分）,。

　　因此,，不需要驗(yàn)證BPR對(duì)基本單元造成的影響，而需要驗(yàn)證對(duì)線路模塊的影響,。實(shí)際上,，對(duì)6T的線路模塊和5T的線路模塊分別進(jìn)行了驗(yàn)證。6T是FinFET的基本單元,，5T是Nano-sheet（NS）FET和BPR的基本單元,。

　　通過(guò)導(dǎo)入BPR，電源/接地排線引起的電壓下滑約為40%,，與之前相比下降幅度大幅度降低了,。BPR情況下，即使排線較細(xì),，也可以保證高度,，因此，很容易使排線的斷面積做的較大,。即,，可以降低電阻。BPR帶來(lái)的低電阻大大地緩解了電壓下降的問(wèn)題（即有利于電源電壓的穩(wěn)定）,。

　　此外,，通過(guò)優(yōu)化供給電源的排線網(wǎng)絡(luò)（PDN）,，線路模組的硅面積大約減少了14%（排除以下：通過(guò)縮小晶體管、減少線路的Track數(shù)量,，削減硅晶圓面積）,。

　　利用線路模塊驗(yàn)證了BPR的結(jié)果，左邊是比較了線路模塊的大小和溫度分布,。就采用了BPR的5T（Track）單元的線路模塊而言,，溫度高的部分（Warm）在逐漸變小。右邊是比較了電壓下降（IR Drop）的累計(jì)分布圖,。在導(dǎo)入了BPR的5T單元的線路模塊中,，電壓的下降幅度約減少了40%，與之前相比下降幅度大幅度降低了,。

　　我們必須再?gòu)?qiáng)調(diào)一下,，BPR是有希望的后補(bǔ)選項(xiàng)，通過(guò)導(dǎo)入BPR,，能夠有效控制電源電壓的下降,。此次，在說(shuō)明BPR復(fù)雜結(jié)構(gòu)的縮略語(yǔ)的同時(shí),，介紹一些金屬材料的備選項(xiàng)。

　　BPR結(jié)構(gòu)的CMOS基本單元具有非常復(fù)雜的構(gòu)造,。

　　導(dǎo)入了埋入式電源/接地線（BPR）的CMOS基本單元的結(jié)構(gòu)和主要的縮略語(yǔ),，此圖引用自小組演講《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的幻燈片，右圖的縮略語(yǔ)是筆者從imec的學(xué)術(shù)論文中摘選的,。

　　一般情況下,，金屬排線使用銅（Cu）作為材料。但是,，內(nèi)埋式電源/接地線（BPR）很難使用銅（Cu）,。這是因?yàn)樾枰坏牢g刻排線層的工藝。于是,，在BPR結(jié)構(gòu)下,，鎢（W）、釕（Ru）,、鈷（Co）等金屬材料是備選項(xiàng),。

　　對(duì)于內(nèi)埋式電源/接地線（BPR）的排線結(jié)構(gòu)而言，比較各種金屬,。左邊是比較了BPR材料特性,，右邊是M0A、BPR的材料,、BPR的高度（深度）情況下的不同電阻,。

　　作為BPR材料,，比較了鎢（W）、釕（Ru）,，單位長(zhǎng)度下,，Ru的電阻較低，但是,，釕（Ru）有污染（Contamination）的風(fēng)險(xiǎn),，另一方面，就VBPR和M0A而言,，釕（Ru）和鈷（Co）的電阻更低,。與鎢相比，作為阻擋金屬（Barrier Metal,，氮化鈦TiN,，電阻較高），釕和鈷可以將厚度做的更薄,。

　　BPR的構(gòu)造（左）和BPR的電阻（中間）,、VBPR的電阻（右）。

　　可以看出,，可將鎢用做BPR的材料,，釕用作VBPR和M0A的材料。鎢可以確保通過(guò)提高縱橫比,，來(lái)降低電阻,。釕具有使阻擋金屬變薄的特性。此外,，釕也可用于不需要阻擋金屬的VBPR,，有望用于2納米。

　　3納米后,，電源電壓是一大課題

　　就3納米世代以后的CMOS邏輯而言,，縮小基本單元的有效方法是將電源/接地排線埋入基板內(nèi)的BPR技術(shù)，上文已經(jīng)論述,。在電源系統(tǒng)中,，基本單元的電源/接地排線位于最末端。其上端為有電源供給網(wǎng)絡(luò)（PDN：Power Delivery Network）,，是用于給大量的基本單元供給電源的,。

　　通常，PDN分割多層金屬排線的一部分,。通常,，PDN在硅芯片（Silicon Die）的表面（FS：Front Side），這種排線方式被稱為“FS-PDN”,。

　　在導(dǎo)入BPR之前,，包含各個(gè)基本單元的電源/接地排線的PDN位于硅芯片的表面,。為了縮小基本單元，導(dǎo)入了內(nèi)埋了基本單元的電源/接地排線的BPR,。于是,，就需要一個(gè)從FS-PDN向BPR垂直供給電源的電極排線（VBPR：Via to BPR）。

　　從削減硅面積的觀點(diǎn)來(lái)看,，VBPR的存在是不被希望看到的,。于是，通過(guò)將PDN配置于硅芯片的背面,，來(lái)削減VBPR,。這被稱為“BS-PDN”。BS-PDN“和BPR之間由細(xì)微的TSV（硅通孔）連接,。

　　電源供給排線網(wǎng)（PDN：Power Delivery Network）的分布圖,，左上角（a）為傳統(tǒng)的布局。所有的電源排線都包含在多層金屬排線層內(nèi),。左下角（b）為將BPR（內(nèi)埋式電源/接地排線）導(dǎo)入到基本單元的布局,。右邊（c），在導(dǎo)入BPR的同時(shí),，將PDN配置于硅芯片的背面,。

　　制造BPR和背面的電源供給網(wǎng)（PDN）的工藝極其復(fù)雜。利用細(xì)微的TSV（uTSV或者nTSV）將BPR和BS-PDN連接的同時(shí),，還需要一道在硅晶圓背面形成金屬排線的工藝,。

　　利用了細(xì)微的TSV（nano-TSV，nTSV）的背面排線和表面排線的連接事例,。左邊為一般的連接結(jié)構(gòu)。右邊為用nTSV將背面排線（電源供給排線網(wǎng),，PDN）和內(nèi)埋式電源線（BPR）連接的結(jié)構(gòu),。

　　比方說(shuō)，將具有了BPR的硅晶圓（1st wafer）與其他硅晶圓（2nd wafer）貼合,，然后研磨1st硅晶圓,，在經(jīng)過(guò)蝕刻，使厚度為10um左右,。

　　在硅芯片背面制造電源供給排線網(wǎng)（PDN）的工藝（前半部分）,。

　　然后，形成連接了BPR的nTSV,。nTSV的內(nèi)埋金屬是銅（Cu）,。形成nTSV后，通過(guò)單邊鑲嵌工藝（Single Damascene）,，生產(chǎn)銅排線層的BS-PDN,。

　　在背面生產(chǎn)電源供給排線網(wǎng)（BS-PDN）的工藝（前半部分）,。

　　此外，還評(píng)價(jià)了CMOS邏輯的基本單元（Standard Cell）的BPR & BS-PDN的效果,。以6T（Track）的基本單元（沒(méi)有BPR,， FC-PDN）為基準(zhǔn)的情況下，導(dǎo)入了BPR的5T（Track）的基本單元（FS-PDN）的線路模塊的面積減少了19%,，電源電壓下降值從45mV減少為35mV,。此處，追加BS-PDN的話,，線路模塊的面積雖然不變化,，電源電壓下降值更低，為25mV,。與6T單元相比,，可將電源電壓的變化控制為45%。

　　BPR和BS-PDN的效果,。左邊是線路模組（Core）的面積和電源電壓下降的關(guān)系,。右邊是線路模組的溫度分布（反應(yīng)IR Drop的大小）,。

　　3nm后,，F(xiàn)inFET到達(dá)極限

　　正如我們之前說(shuō)明的一樣，就以FinFET為晶體管的CMOS邏輯而言,，在縮小Fin的節(jié)距的同時(shí),，將Fin抬高，通過(guò)減少與Fin平行的的最下層的金屬排線的數(shù)量（Track數(shù)量）,，來(lái)縮小基本單元（Standard Cell）,。比方說(shuō)，就7.5Track的基本單元而言,，通過(guò)Fin的2個(gè)p型FinFER和n型FinFET,，構(gòu)成CMOS Inverter。就下一代而言,，在保持Fin的數(shù)量的同時(shí),，通過(guò)將Track數(shù)減少為6個(gè)，來(lái)縮小基本單元的面積,。

　　此外,，就下一代而言，預(yù)計(jì)會(huì)將Track數(shù)量減少為5個(gè)的同時(shí),，F(xiàn)in的數(shù)量減少為一個(gè),，從而縮小基本單元的面積。減少Fin的數(shù)量是為了保持p型FinFET和n型FinFET之間的距離（是能夠分割元件的距離）,。

　　此處存在的問(wèn)題是每一代產(chǎn)品對(duì)FinFET的規(guī)格要求都在變化,，同時(shí),，在變得越來(lái)越嚴(yán)格。減少Fin的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致FinFET的電流驅(qū)動(dòng)能力變?nèi)?。為不使電流?qū)動(dòng)變?nèi)?，必須要提高單個(gè)FinFET的的電流驅(qū)動(dòng)能力。此外,，如果使Fin做得更薄,、減少節(jié)距，加工尺寸,、異物濃度等帶來(lái)的問(wèn)題影響將會(huì)更大,。

　　采用了FinFET的CMOS基本單元（Standard Cell）的微縮化和其存在的問(wèn)題。

　　可以想到的解決方案是將FinFET的Fin由垂直改為平放的Chanel 結(jié)構(gòu)（Nano結(jié)構(gòu)）晶體管,。被稱為”Nano-sheet  FET“,、”Nano-ribbon FET“。Fin的結(jié)構(gòu)如下：Fin的側(cè)面有2個(gè)柵極（Gate）,、頂點(diǎn)有一個(gè)柵極（Gate）,，合計(jì)為三個(gè)（Tri-gate）；而Nano-sheet結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：上面兩個(gè)柵極,、下面兩個(gè)柵極,，合計(jì)四個(gè)（Gate-All-Around）。在控制短Chanel效果的同時(shí),，由于Chanel的寬度變寬,，所以電流驅(qū)動(dòng)能力得以提高。

　　此外,，與Fin結(jié)構(gòu)相比,，Nano-sheet結(jié)構(gòu)的晶體管的性能差異更小，且由一片薄薄的Sheet的厚度決定晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力,。在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中,，厚度（垂直方向的尺寸）由原子層單位控制。Fin的厚度（橫向尺寸）是通過(guò)光刻技術(shù)加工的,，加工尺寸的偏差無(wú)法做到某個(gè)值（比原子層更長(zhǎng)的距離）以下。

　　從FinFET到Nano-sheet的轉(zhuǎn)換和Nano-sheet的優(yōu)勢(shì),。

　　另一個(gè)重要的方面是布局（Layout）自由度的增加,。就FinFET而言，F(xiàn)in的數(shù)量由橫向尺寸決定,。由于Fin的數(shù)量是自然數(shù),，因此橫向的尺寸是離散決定的。就Nano-sheet FET而言,，由于是垂直堆疊sheet,，因此,，可以連續(xù)地改變橫向的尺寸。

　　為了通過(guò)FinFET來(lái)縮小CMOS的基本單元（Standard Cell）,，需要采用以下方法：減小Fin的節(jié)距,、減少Fin的數(shù)量、使Fin做得更薄,、抬高Fin,。于是，F(xiàn)inFET的每個(gè)Fin的電流驅(qū)動(dòng)能力雖然得以提高,，卻又需要縮小每個(gè)Fin之間的差異,。這個(gè)問(wèn)題和微縮化一樣，很難處理,。

　　此處考慮到的方案是將FinFET橫向放置的Chanel結(jié)構(gòu)（Nano-sheet 結(jié)構(gòu)）晶體管,。

　　Nano-sheet 結(jié)構(gòu)的晶體管（或者稱為”Nano-sheet Transistor“）或者”NSH Transistor“的優(yōu)勢(shì)是：電流驅(qū)動(dòng)能力較高，偏差小,。但是,，imec似乎對(duì)于Nano-sheet 結(jié)構(gòu)的開發(fā)并不是十分積極。主要理由如下：對(duì)于晶體管之間的分離元件而言,，Nano-sheet 結(jié)構(gòu)需要與FinFET一樣的距離,。

　　從FinFET到Nano-sheet構(gòu)造、Fork-sheet構(gòu)造的變化,。

　　Imec主推的是被稱為”Fork-sheet構(gòu)造“的Chanel構(gòu)造的晶體管（也被稱為”Fork-sheet Transistor“或者”FSH Transistor“）,。通過(guò)以Nano-sheet構(gòu)造為基礎(chǔ)進(jìn)行重要的改良后，晶體管間的距離似乎縮小了,。對(duì)于2納米以后的世代而言,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造是晶體管技術(shù)的有力備選項(xiàng)。

　　就Fork-sheet構(gòu)造而言,，絕緣膜的薄壁位于中間,，p型Nano-sheet和n型Nano-sheet成對(duì)。柵極金屬的斷面結(jié)構(gòu)與作為餐具的叉子形狀類似,，因此被稱為”Fork-sheet“,。

　　就Fork-sheet構(gòu)造而言，相鄰的Chanel和柵極金屬在物理上是分離的,。因此,，相鄰的晶體管之間的距離已經(jīng)縮小至極限。即,，CMOS邏輯的基本單元可以縮小,。

　　Fork-sheet構(gòu)造，嵌入將p型和n型的晶體管的模式圖。

　　此外,，與Nano-sheet相比,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造具有寄生容量較小的優(yōu)勢(shì)。在消耗同樣電力的情況下,，與Nano-sheet構(gòu)造相比,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造的晶體管可以更高速地工作。反過(guò)來(lái)說(shuō),，在同樣工作頻率的情況下,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造比Nano-sheet耗費(fèi)的電力更少。從imec在國(guó)際學(xué)會(huì)IEDM 2019上發(fā)布的論文（論文編號(hào)：36.5）來(lái)看,，用CMOS Inverter的15段 Ring振蕩器比較后發(fā)現(xiàn),，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造的工作頻率（以同樣的功耗來(lái)比較）提高了10%，功耗（以同樣的工作頻率來(lái)比較）減少了24%,。

　　Fork-sheet晶體管成為候補(bǔ)的理由

　　我們已經(jīng)在上文敘述過(guò)使基本單元微縮化的有效辦法,，即減少與Chanel方向（細(xì)長(zhǎng)的Active區(qū)域）平行的最下層的金屬排線數(shù)量（Track數(shù)量，T）,。通過(guò)減少Track數(shù)量,，縮短基本單元的高度（CH: Cell Height）。但是,，這種辦法在6T的時(shí)候達(dá)到極限,，據(jù)預(yù)測(cè)，可以采用將電源/接地線埋入基板內(nèi)的BPR（Buried Power Rail）方法實(shí)現(xiàn)5T,。

　　CMOS邏輯基本單元的架構(gòu)和各部分的尺寸,。左邊淡藍(lán)色為最下層的金屬排線，垂直延伸的紅色部分為柵極金屬,、水平延伸的綠色部分為Active區(qū)域,。

　　就此處規(guī)定基本單元（CMOS  Inverter）的高度的定義而言，如下,，從Active區(qū)域到基本單元區(qū)域的距離為”AB（Active to Boundary）“,、Active區(qū)域的高度為”A（Active）“、分割p型晶體管和n型晶體管的距離為”PN（p to n）“,。

　　接下來(lái),，按照CMOS邏輯技術(shù)的節(jié)點(diǎn)，來(lái)逐個(gè)討論基本單元各部分高度（CH）的尺寸,。在14納米（N14）,、10納米（N10），40%（甚至更多）的CH由”A“占據(jù),，”PN“、”AB“分別各占三成（甚至更低）。在7納米（N7）,，”A“的比例減少至三成,，”PN“、”AB“分別增加至三成多,。早接下來(lái)的5納米（N5）,，”PN“的比例進(jìn)一步增加，增至四成,，另一方面,，”AB“的占比減少至2.5成，而”A“的占比反而增加至3.5成,。

　　各部分在基本單元高度（CH）中的占比和技術(shù)節(jié)點(diǎn)（N）的推移,。

　　3納米以后，由于導(dǎo)入了BPR技術(shù),，”AB“的比例達(dá)到五成以上,，為最大值。這一比例沒(méi)有什么變化,?！盇“的比例大幅度減少至一成，另一方面,，”PN“占比為3.5成左右,，也比較高。N5以后,，”PN“雖然變得較短,，但是卻是微縮化的關(guān)鍵。

　　從以上可以看出,，能夠縮短”PN“的”Fork-sheet構(gòu)造“比”Nano-sheet構(gòu)造“更有優(yōu)勢(shì),。這也是imec的觀點(diǎn)。

　　我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造具有單元布局自由的優(yōu)勢(shì),。這是因?yàn)榭梢钥刂啤盤N“、”A“,。在演講中,，提到了使寄生容量最小化的布局、使電流驅(qū)動(dòng)能力最大化的布局,、使單元面積最小化的布局,。

　　就將寄生容量最小化的布局而言，Active區(qū)域不是很寬,、且適當(dāng)?shù)卮_保了晶體管間的距離,。就使電流驅(qū)動(dòng)能力最大化的布局而言,，在擴(kuò)大Active區(qū)域的同時(shí)，縮小了晶體管間的距離,。就使單元面積最小化的布局而言,，Active區(qū)域較細(xì)、縮小了晶體管間的距離,。單元的高度控制為4.4T,。

　　Fork-sheet構(gòu)造，優(yōu)化了基本單元布局的事例,。左邊為寄生容量最小的布局,、中間為提高了電流驅(qū)動(dòng)能力的布局、右邊為單元面積最小化的布局,。即圖中的”M0A“為”Contact-to-Active, Active Trench Contact（與Active層相連接的接觸金屬層）“,、”MINT“為”水平放下的最下層金屬排線（一般相當(dāng)于M1）“、”BPR“為”Buried Power Rail（埋入式電源/接地線）“,。

　　接下來(lái),，我們?cè)跀⑹鯢ork-sheet構(gòu)造的CMOS邏輯的生產(chǎn)工藝的同時(shí)，也會(huì)公布用電子顯微鏡和熒光X線觀察的晶體管的斷面圖（試作品）的圖像,。

　　構(gòu)成Fork-sheet（FSH）構(gòu)造的CMOS邏輯的一對(duì)晶體管的斷面構(gòu)造圖,。左邊的構(gòu)造圖（a）是在柵極電極處的斷面。這對(duì)晶體管的左邊是p型,，右邊是n型,。右邊的構(gòu)造圖（b）是Active區(qū)域的斷面（Source/Drain區(qū)域）。用絕緣膜壁用電和物理特性使晶體管分開,。

　　這一對(duì)Fork-sheet構(gòu)造的晶體管（一對(duì)p型和n型）具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，乍一看，很難想象是以何種工藝制成的,。

　　以Nano-sheet的生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ),，針對(duì)Fork-sheet，追加和變更了一部分,。

　　根據(jù)Myung‐Hee Na先生的演講,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造的生產(chǎn)工藝是Nano-sheet構(gòu)造生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)。不僅在Fork-sheet構(gòu)造中追加了特殊的工藝,，還針對(duì)Fork-sheet進(jìn)行了部分工程變更,。

　　最大的差別是增加了形成絕緣膜壁的工藝（Step）。此外,，將形成內(nèi)部Spacer的工藝和Active（Source,、Drain）層的外延生產(chǎn)工藝、形成RMG（Replacement Metal Gate）的工藝全部改為了針對(duì)Fork-sheet構(gòu)造,。其他工藝與Nano-sheet構(gòu)造的晶體管工藝基本相同,。

　　Fork-sheet構(gòu)造晶體管的生產(chǎn)工藝流程

　　再稍微具體一些說(shuō)明,，首先加工Nano-sheet壓層形狀的模板，形成淺槽分離層（STI：Shallow Trench Isolation）,，通過(guò)CMP（Chemical Mechanical Polishing）達(dá)到平坦效果,。接下來(lái)，實(shí)施埋入式電源/接地排線（BPR: Buried Power Rail）的蝕刻和成膜工藝（此處的BPR工藝是選擇性的）,。然后，使Nano-sheet的壓層結(jié)構(gòu)曝光,，形成用于Fork-sheet的垂直絕緣膜（絕緣膜壁）,。

　　然后，進(jìn)行以下工藝：加工柵極的線路（Pattern）,、形成Spacer,、Fin的Recess、內(nèi)部Spacer,、Source/Drain的外延生長(zhǎng),、形成層間絕緣膜（ILD）和CMP、形成RMG,、柵極的Recess和Cut,、形成柵極的Plug、Metallization,。

　　在演講中,，Myung‐Hee Na還展示了用電子顯微鏡和熒光X線分光設(shè)備觀測(cè)的Fork-sheet構(gòu)造的試作品（是按照以上工藝進(jìn)行試做的）的圖像。由絕緣膜壁分割的一對(duì)晶體管的距離為17納米,?？梢钥闯觯瑬艠O絕緣膜和柵極金屬膜很整齊地融入在壓層薄片（Sheet）里,。

　　試做的Fork-sheet構(gòu)造的斷面圖像,，左邊為用透射電子顯微鏡觀察的圖像。右側(cè)為用能量分散型熒光X線分光設(shè)備（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectrometer）拍攝的Mapping 圖像,。

　　就理論線路單元而言,，與FinFET相比，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造的CMOS邏輯的布局（Layout）自由度更高,。具體而言,，F(xiàn)inFET的CMOS Inverter的連接Track（水平方向的最下層的金屬排線）和柵極的連接位置是受限的。無(wú)法使中間的2個(gè)Track連接,。但是,，如果是Fork-sheet構(gòu)造，可以使中間的2個(gè)Track連接,。

　　CMOS基本單元（Inverter）的布局（Layout）和柵極連接（Gate Connect）的布局（Layout）,。上部（a）的晶體管是FinFET,。水平方向有4個(gè)Track，但中間的2個(gè)Track無(wú)法做到柵極連接,。中間的（b）和下面的（c）的晶體管是Fork-sheet構(gòu)造,。所有的Track都可以與柵極連接。

　　接下來(lái),，比較一下D類Flip Flop（D-FF）的理論線路單元,。同樣高度的單元，Contact Gate Pitch（CPP 或者”CGP“）數(shù)量會(huì)不同,。Nano-sheet（NSH）構(gòu)造為11Pitch,，F(xiàn)inFET為10 Pitch，F(xiàn)ork-sheet（FSH）構(gòu)造為9 Pitch,。與NSH構(gòu)造相比,，F(xiàn)SH構(gòu)造的D-FF的單元面積小了20%左右。

　　D類Flip Flop（D-FF）的單元布局,。自上而下：Nano-sheet（GAA NSH）構(gòu)造（a）,、FinFET（b）、Fork-sheet構(gòu)造（c）,。

　　我們還分別比較了在高性能布局和高密度布局下的Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造的SRAM,。就高性能的SRAM單元而言，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造可以縮短p Chanel和n Chanel的距離（PN）,，因此,，單元面積可以減少約兩成左右。如果是高密度的SRAM單元,，單元面積可以減少約三成,。

　　比較了在Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造下的SRAM的單元面積。左邊為高性能的SRAM的單元,。右邊為高密度的SRAM的單元,。

　　2nm后的晶體管選擇

　　FinFET的”下一代的下一代“技術(shù)指的是Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造的下一代。Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造被認(rèn)定為屬于同一時(shí)代的技術(shù)（FinFET的下一代）,。雖然Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造比較類似,，但是晶體管構(gòu)造有很大的不同。Nano-sheet構(gòu)造是晶體管的單獨(dú)構(gòu)造,，F(xiàn)ork-sheet構(gòu)造是以CMOS 邏輯為前提的,。

　　可以說(shuō)，將兩個(gè)晶體管進(jìn)行高密度融合并生產(chǎn)出來(lái),，才是Fork-sheet構(gòu)造,。

　　imec所考慮的晶體管的技術(shù)藍(lán)圖。從FinFET到Nano-sheet,、Fork-sheet的各代技術(shù),。平面（2D）構(gòu)造的晶體管已經(jīng)達(dá)到極限,，因此新一代的3D（壓層）構(gòu)造的CFET（Complementary FET）是有希望的備選項(xiàng)。

　　FinFET的”下一代的下一代“的晶體管的前提與Fork-sheet構(gòu)造相同一樣,、即CMOS邏輯,。Fork-sheet構(gòu)造的特點(diǎn)為”PN距離（為分離p Chanel 和n Chanel的晶體管的距離）較短“，且這一特點(diǎn)還在被改善,。

　　具體而言,，在p Chanel晶體管的FET上重合n Chanel的FET。硅面積就減少為一個(gè)晶體管的分量,，理論上密度會(huì)提高,。此外，由于”PN 距離“的進(jìn)一步縮短,，理論上CMOS 邏輯的工作速度會(huì)提高。這種晶體管的結(jié)構(gòu)被稱為”互補(bǔ)型FET（C FET,，C=Complementary）“,。

　　CFET的想法比較簡(jiǎn)單。由平面型的p Chanel MOSFET和n Chanel MOSFET構(gòu)成的CMOS Inverter共同擁有細(xì)長(zhǎng)的柵極電極,。以柵極電極的中線為中心線,，折疊兩個(gè)晶體管。在p Chanel FET的上面重合n Chanel FET的3D壓層結(jié)構(gòu)的晶體管會(huì)是一對(duì)（兩個(gè)）,。

　　之所以把p Chanel FET放在下面是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝順序,，即首先生產(chǎn)p Chanel，然后生產(chǎn)n Chanel,。理論上來(lái)講,，把n Chanel FET放在下面也可以制成CFET。

　　”互補(bǔ)型FET（C FET,，C=Complementary）“,，S為Source、D為Drain,、G為Gate

　　如果要再次描述一下CFET的特點(diǎn)的話,，首先一點(diǎn)就是縮小CMOS基板單元。與以往的晶體管線路相比,，硅晶圓面積減少了約一半,。可以用接近一個(gè)晶體管的硅面積制作由兩個(gè)晶體管構(gòu)成的CMOS元件,，此外,，p Chanel的材料和n Chanel的材料是可以分別選擇的。

　　”互補(bǔ)型FET（C FET,，C=Complementary）“的特點(diǎn),、用電子顯微鏡觀察的試做的晶體管的斷面結(jié)構(gòu)圖像,。

　　在2納米世代技術(shù)以后，CFET會(huì)成為CMOS 邏輯的有力備選項(xiàng),。在1.5納米世代,、1.0納米世代，CFET將會(huì)是必選項(xiàng),。

　　就CMOS基本單元（Inverter）的布局（Layout）而言,，是多個(gè)Chanel處于水平方向。與Chanel平行布局的最下層的金屬排線數(shù)量（Track：T）決定著單元的高度（CH）,。金屬排線數(shù)量的減少直接關(guān)系著單元高度的降低,。

　　最初，是通過(guò)CMOS基本單元（把晶體管技術(shù)當(dāng)做FinFET）來(lái)減少Track 數(shù)量（T）的,。7.5T和6T都是在FinFET的情況下減少了Track數(shù)量,。但是，5T情況下就很難用傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)降低單元的高度了,。首先考慮到的是保持FinFET不變,，然后采用BPR（Buried Power Rail，將金屬排線的電源/接地線埋入基板）方法,。實(shí)際效果如下：減少了兩根金屬排線,。

　　5納米世代以后的晶體管技術(shù)（斷面構(gòu)造圖）的選項(xiàng)。上面三個(gè)是FinFET,，下面自左開始為Nano-sheet FET,、Fork-sheet FET、 CFET,。

　　通過(guò)融合BPR和FinFET,，5T Fin的數(shù)量是每個(gè)晶體管一張，但是晶體管的性能有可能會(huì)下降,。于是,，通過(guò)將晶體管從FinFET改為Nano-sheet構(gòu)造和Fork-sheet構(gòu)造，與FinFET相比,，晶體管的性能得以提升,，同時(shí)，晶體管的密度也易于提高了,。高度為5T的CMOS的基本單元有Fin FET,、Nano-sheet、Fork-sheet三個(gè)選項(xiàng),，且是混合存在的,。

　　但是，就4T以后的Low Profile而言，如果采用將p Chanel FET 和n Chanel FET放在硅表面的CMOS元件的話,，比較困難,。引進(jìn)將p Chanel FET 和n Chanel FET垂直堆疊在硅表面的CFET（Complementary FET），是業(yè)界所希望的,。

　　imec認(rèn)為,，可以通過(guò)導(dǎo)入CFET，使CMOS的基本單元的高度降低至4T或者3T,。比方說(shuō),，可以將與6T的2Fin型FinFET具有同樣功能的理論單元（AOI，AND-OR-INVERT ）211 Cell和DFQD1 Cell（ Flip Flop）布局為3T（是CFET的一半）,。

　　FinFET 的理論線路單元（6T）,、CFET的理論線路單元（3T）。運(yùn)用CFET,，可以將理論線路單元的高度縮短為FinFET的一半,。

　　此外，就拿3納米世代的Arm 處理器來(lái)講,，與5T Nano-sheet構(gòu)造相比,，4T的CFET的核（Core）面積會(huì)減少13.3%。此外,，采用CFET，可以全部使最下層的金屬排線（M0）相互連接（Routing）,，因此,，可以將與M0直接相交的第一層金屬排線（M1）分配為輸入、輸出的Pin或者相互連接等,。如果靈活運(yùn)用這一優(yōu)勢(shì),，優(yōu)化金屬排線工序（BEOL），預(yù)計(jì)可以進(jìn)一步將核（Core）的面積減少7%,。

　　總而言之,，在3nm之后，芯片產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)巨大變革,！

　　Arm 處理器核的硅面積比較值（相對(duì)值）,。與5T的Nano-sheet構(gòu)造相比，4T的CFET的核（Core）的面積減少了13%（左邊）,。此外,，CFET情況下，第一層金屬排線（M1）的Routing還有余地（右邊）,，因此通過(guò)優(yōu)化金屬排線工藝（BEOL）,，可以進(jìn)一步減少核（Core）的面積。