科研前线 | AMAT发力CFET器件,探索3nm先进制程解决方案

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在5nm以下先进制程发展方向的探索中，国际半导体设备巨头应用材料AMAT也在晶体管器件研究上进行了布局，针对CFET器件的性能与MOS管结构的选择进行了研究，其成果发表于SISPAD 2020。CFET是一种在垂直方向上通过nMOS与pMOS的堆叠以达到面积缩小效果的晶体管结构，IMEC等知名研究机构认为这是3nm以下集成电路工艺的必然解决方案。

研究背景

随着集成电路制造技术的不断发展，当前的硅基CMOS工艺因静电性能和寄生参数的瓶颈，晶体管的通过FEOL和BEOL工艺实现特征尺寸尺寸缩放的道路已趋近尽头，而CFET（Complementary FET，一般翻译为互补型场效应晶体管）是可以延续集成电路面积缩放的一种新型晶体管结构。

首先，CFET器件在垂直方向上实现pMOS和nMOS的堆叠，节省了水平方向的布局空间；其次，垂直堆叠简化了pMOS与nMOS之间的端子接入过程。这使得设计拥有更少M0*（关键金属层）数量的标准单元库*（cell library）成为可能，并进一步降低标准单元的高度和面积。

各类研究已经证明，使用CFET结构可以将逻辑模块和SRAM的面积节省至少25%。在CFET器件的结构设计中，FinFET和nanosheet晶体管都是主要候选，例如之前栏目曾报导的IMEC关于CFET器件的研究成果，使用的是在p型FinFET上堆叠n型nanosheet晶体管的CFET器件。

而AMAT应用材料公司的研究团队则将重心放在了FBC（Fin基结构,即p/n型晶体管均为FinFET）与SBC（sheet基结构,即p/n型晶体管均为nanosheet FET）的评估和对比，相关成果以“Complementary FET Device and Circuit Level Evaluation Using Fin-Based and Sheet-Based Configurations Targeting 3nm Node and Beyond”发表于IEEE国际半导体工艺与器件仿真会议（IEEE SISPAD）,应用材料的Ashish Pal、El Mehdi Bazizi等七名研究人员为本文共同作者，Liu Jiang为通讯作者。

*M0：金属后道工艺的第一层金属，通常称为关键金属层。在晶圆厂中，台积电和英特尔将这层定义为M0,而三星叫M1。

*标准单元库：IP库中最基本的一种。在一个标准单元库中，从系统行为描述、逻辑综合、逻辑功能模拟，到时序分析、验证，直至版图设计中的自动布局、布线，有一个内容丰富、功能完整的单元库的支持。

研究内容

研究团队使用3D-TCAD模拟CFET的工艺过程，并比较鳍型（Fin-based）结构和片型（Sheet-based）结构CFET器件的特性。为了准确比较这两种结构的性能，研究团队构建了一个漂移扩散研究模型，并通过准经典*次价键（sub-band）玻尔兹曼输运方程*。研究结果，在相同的有效沟道宽度下，片型CFET的nMOS比鳍型CFET的驱动电流高10%；对于pMOS，片型CFET比鳍型CFET的驱动电流低5%。在相同的封装工艺标准下，以增加纳米片宽度为变量，片型CFET的nMOS和pMOS的驱动电流相比鳍型CFET分别高出73%和47%。以31级环形振荡器为典型电路模型，在相同沟道宽度下，Vdd=0.7V时，片型CFET电路性能比鳍型CFET高出2.6%；在相同的器件面积下，片型CFET电路性能比鳍型CFET高出9%。

*准经典，又称半经典，指在特定条件下，将电子近似地作为经典粒子处理，得到基本合理的结果，这类模型称之为准经典模型，适用于恒定弱外场等条件。具体处理方法为：对外场用经典方式处理，对晶格周期场采用能带论的量子力学处理方式。

*玻尔兹曼输运方程，Boltzmann Transport Equation，路德维希·玻尔兹曼提出的一个方程，用于描述非平衡状态热力学系统的统计行为。

模拟3nm CFET的工艺流程和关键参数情况

片型CFET和鳍型CFET的版图示意图

晶体管结构示意图，鳍型沟道宽度/高度分别为5nm/18nm，

可以看出片型CFET拥有更小的栅极距(Gate pitch)

nMOS中的电子迁移率分布

导通电阻（Ron）与输入电容（Cinv）的比较

3种CFET结构的Ion-Ioff性能比较

3种CFET结构环形振荡器性能比较

前景展望

CFET结构作为学界重点研究的纳米晶体管结构,是一种具革命性的器件结构。尽管CFET的工艺流程非常复杂，也也将导致其高昂的量产难度和成本，但其在缩小晶体管面积的效果卓越，很可能在未来下一代CMOS微缩工艺的解决路径。

作为设备厂商中“大而全”代表的国际巨头应用材料，不仅在设备工艺的研发上领先，并且也在先进器件结构的前沿研究领域发力，在学术研究的水平不亚于IMEC等研究型机构，其技术布局的前瞻性令人侧目。这也是集成电路领域“强者恒强”特点的一个缩影，即：具有垄断地位的国际巨头，在研发领域上得以投入更多资源以获取更大技术领先程度进而转化为市场占有率。