3D亞納米時代，CMOS邏輯電路如何發展？

? IEDM（國際電子器件會議）是全球最大的半導體器件技術和工藝技術國際會議。這次，我們將簡要介紹“存儲器”以外領域的著名講座。這些領域包括“下一代CMOS”、“將器件構建到多層布線工藝中的技術”、“傳感器內計算技術”、“寬間隙器件”和“圖像傳感器”。有不少關于“下一代CMOS”的著名講座。因此，我們將它們分為“互補FET”、“2D材料”和“多層布線”子類別，按順序進行介紹。

?將構成CMOS的兩個FET堆疊起來，將硅面積減少一半

第一個是“下一代CMOS邏輯”領域中的“互補FET(CFET)”。CMOS邏輯電路由至少兩個晶體管組成：一個n溝道MOSFET和一個p溝道MOSFET。晶體管數量最少的邏輯電路是反相器（邏輯反相電路），由1個n溝道MOS和1個p溝道MOS組成。換句話說，它需要相當于兩個晶體管的硅面積。 CFET是這兩種類型MOSFET的三維堆疊。理論上，可以使用一個FET占用的硅面積來創建CMOS邏輯。與傳統CMOS相比，硅面積減半。但制造工藝相當復雜，挑戰重重，打造難度較大。 在IEDM2023上，CFET研發取得了重大進展。臺積電和英特爾均推出了單片堆疊下層FET和上層FET的CMOS電路。臺積電演示了一個CFET原型，該原型將n溝道FET單片堆疊在p溝道FET之上。所有FET均具有納米片結構。柵極間距為48nm。制造成品率達90%以上。目前的開/關比超過6位數。 英特爾設計了一個CFET原型，將三個n溝道FET單片堆疊在三個p溝道FET之上。所有FET均具有納米帶結構（與納米片結構基本相同的結構）。我們制作了柵極間距為60nm的CMOS反相器原型并確認了其運行。

?采用二維材料制成GAA結構的納米片通道

下一代CMOS邏輯晶體管的另一個有希望的候選者是通道是過渡金屬二硫屬化物(TMD)化合物的二維材料（單層和極薄材料）的晶體管。當MOSFET的溝道尺寸縮短時，“短溝道效應”成為一個主要問題，其中閾值電壓降低且變化增加。減輕短溝道效應的一種方法是使溝道變薄。TMD很容易形成單分子層，原則上可以創建最薄的通道。 TMD溝道最初被認為是一種用于小型化傳統平面MOSFET的技術（消除了對鰭結構的需要）。最近，選擇TMD作為環柵（GAA）結構的溝道材料的研究變得活躍。候選通道材料包括二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）和二硒化鎢（WSe2）。 包括臺積電等在內的聯合研究小組開發了一種具有納米片結構的n溝道FET，其中溝道材料被MoS2單層取代。柵極長度為40nm。閾值電壓高，約為1V（常關操作），導通電流約為370μA/μm（Vds約為1.0V），電流開關比為10的8次方。 imec和英特爾的聯合研究團隊使用300mm晶圓上的2D溝道候選材料制造了原型n溝道MOS和p溝道MOS，并評估了它們的特性。候選材料有MoS2、WS2和WSe2。MoS2單層膜適用于n溝道FET，WSe多層膜適用于p溝道FET。 包括臺積電等在內的聯合研究小組開發出一種二維材料晶體管，其電流-電壓特性與n溝道FET和p溝道FET相同（10-1）。MoS2（一種n溝道材料）和WSe2（一種p溝道材料）在藍寶石晶圓上生長，并逐個芯片轉移到硅晶圓上。此外，英特爾還原型制作了具有GAA結構的二維材料溝道FET，并在n溝道和p溝道上實現了相對較高的遷移率。

?石墨烯、釕和鎢將取代銅(Cu)互連

多層布線是支持CMOS邏輯擴展的重要基礎技術。人們擔心，當前流行的銅（Cu）多層互連的電阻率將由于小型化而迅速增加。因此，尋找金屬來替代Cu的研究非?；钴S。候選材料包括石墨烯、釕(Ru)和鎢(W)。 臺積電將宣布嘗試使用石墨烯（一種片狀碳同素異形體）進行多層布線。當我們制作不同寬度的互連原型并將其電阻與銅互連進行比較時，我們發現寬度為15nm或更小的石墨烯互連的電阻率低于銅互連的電阻率。石墨烯的接觸電阻率也比銅低四個數量級。將金屬離子嵌入石墨烯中可以改善互連的電性能，使其成為下一代互連的有前途的材料。 imec制作了高深寬比(AR)為6至8、節距為18nm至26nm的Ru兩層精細互連原型，并評估了其特性。制造工藝為半鑲嵌和全自對準過孔。在AR6中原型制作寬度為10nm（對應間距18nm至20nm）的Ru線測得的電阻值低于AR2中模擬的Cu線的電阻值。 應用材料公司開發了一種充分利用W的低電阻互連架構。適用于2nm以上的技術節點。我們充分利用W襯墊、W間隙填充和WCMP（化學機械拋光）等基本技術。

?將存儲器等元件納入多層布線過程

一種有些不尋常的方法是研究多層互連過程（BEOL）中的存儲器等構建元件。多層布線下面通常是CMOS邏輯電路。因此，理論上，BEOL中內置的元件不會增加硅面積。它是提高存儲密度和元件密度的一種手段。 斯坦福大學和其他大學的聯合研究小組將提出在多層邏輯布線工藝中嵌入氧化物半導體(OS)增益單元晶體管型存儲元件的設計指南。操作系統選擇了氧化銦錫(ITO)FET。我們比較了OS/Si混合單元和OS/OS增益單元。 imec開發了MRAM技術，可將自旋軌道扭矩(SOT)層和磁隧道結(MTJ)柱減小到大致相同的尺寸(39-3)。它聲稱可以將功耗降低到傳統技術的三分之一，將重寫周期壽命延長10的15次方，并減少存儲單元面積。 加州大學洛杉磯分校率先集成了壓控MRAM和CMOS外圍電路(39-4)。MRAM的切換時間極短，為0.7ns（電壓1.8V）。原型芯片的讀取訪問時間為8.5ns，寫入周期壽命為10的11次方。

?將計算功能納入傳感器中

我還想關注“傳感器內計算技術”，它將某種計算功能集成到傳感器中。包括旺宏國際在內的聯合研究小組將展示基于3D單片集成技術的智能圖像傳感器。采用20nm節點FinFET技術，將類似于IGZODRAM的存儲層單片層疊在CMOS電路層的頂部，并在其頂部層疊由二維材料MoS2制成的光電晶體管陣列層。光電晶體管陣列的布局為5x5。 西安電子科技大學和西湖大學的聯合研究小組設計了一種光電神經元，由一個光電晶體管和一個閾值開關組成，用于尖峰神經網絡。對連續時間內的傳感信號（光電轉換信號）進行壓縮編碼。

?在硅晶圓上集成GaN功率晶體管和CMOS驅動器

對于能帶隙比Si更寬的化合物半導體器件（寬禁帶器件），在Si晶圓上制造氮化鎵(GaN)基HEMT的運動十分活躍。英特爾在300mm硅晶圓上集成了GaN功率晶體管和CMOS驅動器。CMOS驅動器是GaN增強型n溝道MOSHEMT和Sip溝道MOSFET的組合。用于GaN層的Si芯片使用(111)面。對于SiMOSFET，將另一個（100）面的硅芯片粘合在一起，只留下?。?00）層，用作溝道。 CEA Leti開發了用于Ka波段功率放大器的AlN/GaN/Si MIS-HEMT。兼容200mm晶圓Si CMOS工藝。通過優化SiN柵極絕緣膜原型制作的HTMT的ft為81GHz，fmax為173GHz。28GHz時的PAE（功率負載效率）極高，達到41%（電壓20V）。假設我們已經實現了與GaN/SiC器件相當的性能。

?6400萬像素、像素尺寸為0.5μm見方的小型CMOS圖像傳感器

在圖像傳感器中，顯著的成果包括像素數量的增加、像素尺寸的減小、噪聲的減少以及自動對焦功能的進步。三星電子已試制出具有6400萬像素、小像素尺寸為0.5μm見方的高分辨率CMOS圖像傳感器。 使用銅電極混合鍵合堆疊三個硅芯片，并為每個像素連接一個光電二極管和后續電路。與傳統型號相比，RTS（隨機電報信號）噪聲降低了85%，FD（浮動擴散）轉換增益提高了67%。 OmniVision Technologies開發了一款HDR全局快門CMOS圖像傳感器，其像素間距為2.2μm。它是通過將兩片硅片粘合在一起而制成的。FPN（固定模式噪聲）為1.2e-（rms值），時間噪聲為3.8e-（rms值）。 佳能已經推出了雙像素交叉CMOS圖像傳感器原型，其中一對光電二極管以90度扭轉排列。通過全方位相位差檢測執行自動對焦(AF)。AF的最低照度低至0.007lux。

編輯：黃飛

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