欧美已开始研发1nm CPU技术：升级CFET晶体管？

在VLSI 2020上，IMEC发表了有关单片CFET的有趣论文，我有机会采访了其中一位作者Airoura Hiroaki。在业界众所周知，FinFET（FF）即将达到其定标寿命。

三星已经宣布，他们将在3nm的时候转向水平纳米片（Horizontal Nanosheets ：HNS）。台积电（TSMC）保持3nm的FF，但预计将转移到2nm的新架构。

假设英特尔当时仍在追求自己的技术，则预计英特尔将保留7nm的FF，然后再迁移至5nm的HNS。

该行业最可能的路线图是从FF到带有或不带有Forksheets的HNS，然后过渡到CFET（Complimentary FETs），请参见图1。

Imec CMOS路线图。

从以上技术蓝图来看，28纳米使用了High-K/Metal Gate，16纳米---14纳米导入了FinFET，7纳米---5纳米采用了EUV曝光设备，此外，还将Co应用于Middle of Line（MOL）上。

MOL是一种将晶体管（FOEL）与多层配线（BEOL）连接在一起的孔（Via），虽然imec使用了Co，还有其他选择项如Mo、Ru等。

此外，4纳米---3纳米中采用了具有Nanosheet结构的晶体管。

此次的VLSI座谈会上，有关7纳米、5纳米、3纳米的文章发布得比较多，然而，笔者却发现将Gate All Around（GAA）的Nanosheet结构应用在这些节点上的情况是全球共通的认知。

同时从技术蓝图看，在2纳米中，使用搭载了Buried Power Rail（BPR，在晶体管下埋入电源线的构造）的Forksheet晶体管；在1纳米中，将会使用采用了BPR的Complementary FET（CFET）。

imec在其内部达成了以下共识：3纳米之前采用Nanosheet、2纳米采用Forksheet、1纳米采用CFET。

也就是说，在此次VLSI座谈会上，imec也是基于以上技术蓝图而做的发表。从上图可以清晰地看出FinFET、Nanosheet、Forksheet、CFET的结构变化。

从FinFET到CFET，通过将Contact Poly Pitch（PP）做到最小、分离nMOS和pMOS，以达到缩小SRAM面积的效果。

Forksheet 和CFET通过堆叠nFET和pFET器件的CFET改善n到p的间距来缩小尺寸，见图2。

CFET结构在当前的工作中，已经开发了“单片”（monolithic） CFET，方法是将单独的硅片用于nFET和pFET，然后将它们粘合在一起，而按照顺序（sequential），CFET则会将两种类型的FET都制造在同一硅片上。

Imec声称单片技术比顺序技术便宜，而顺序技术要求SOI会增加衬底成本1％，见图3。

单片CFET的成本优势在1纳米中，IMEC采用了将nMOS和pMOS纵向排列的CFET（如下图8），虽然CFET的工艺流程非常复杂，但毫无疑问，极大地缩小了CMOS、SRAM的面积，达到了集成化。

问题是---是否做到了人们所期待的晶体管的特性，这是未来研发的关键。

我发现起始晶圆成本高出约1％，这有两个原因，一是，我不相信顺序CFET需要SOI，二是，SOI比标准晶圆贵了约1％。整体方法还将需要两个起始晶圆，而不仅仅是一个。

我认为这种成本分析需要更多的调查。在单片方法中，nFET和pFET在分离的晶圆上制造，从而可以针对该器件优化每个器件的制造流程。每个晶片的处理流程如图4所示。

图4.单片CFET的工艺流程。

随着我们朝N3方向发展，n到p的分离减少了寄生效应并提高了性能。同样，通过从FF移至GAA）可以在所有四个侧面而不是三个侧面上提供一个栅极，从而改善了静电控制。

这项工作中制造的单片CFET为下一代器件提供了顺序CFET的替代方案，需要进一步研究。