關(guān)于5nm以后的晶體管選擇的方法分析

推動晶體管往5nm以下節(jié)點微縮是VLSI工業(yè)的關(guān)鍵問題之一，因為越變越小的晶體管帶來了各種各樣的挑戰(zhàn)，全世界也正在就這個問題進行一些深入研究以克服未來技術(shù)節(jié)點的挑戰(zhàn)。

在本文，我們回顧了包括如碳納米管FET，Gate-All-Around FET和化合物半導體在內(nèi)的潛在晶體管結(jié)構(gòu)和材料，他們被看做解決現(xiàn)有的硅FinFET晶體管在5nm以下節(jié)點縮放的問題。

半導體時代始于1960年，是伴隨著集成電路的發(fā)明而開啟的。在集成電路中，所有有源/無源元件及其互連都集成在單個硅晶圓上，這就使得它們在便攜性、功能性、功耗和性能方面具有領(lǐng)先的優(yōu)勢。而在過去幾十年里，VLSI行業(yè)也在摩爾定律的“指導”下快速發(fā)展。所謂摩爾定律，是指集成在芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年增加一倍。

為了從縮小尺寸的晶體管獲得相應的收益，VLSI行業(yè)在不斷改進晶體管的結(jié)構(gòu)、材料、制造技術(shù)以及設(shè)計IC的工具。到目前為止，晶體管所采用的各種技術(shù)包括了高K電介質(zhì)，金屬柵極，應變硅（strained silicon），雙圖案化（double patterning），從多個側(cè)面控制通道，絕緣體上的硅（SOI）和更多技術(shù)。其中一些技術(shù)在《關(guān)于CMOS，SOI和FinFET技術(shù)的評論文章》中有討論過。

如今，物聯(lián)網(wǎng)，自動駕駛汽車，機器學習，人工智能和互聯(lián)網(wǎng)流量的需求呈指數(shù)增長，這將給晶體管帶來了縮小到現(xiàn)有7nm節(jié)點以下以獲得更高性能的驅(qū)動力。然而，縮小晶體管尺寸卻存在若干挑戰(zhàn)。

亞微米（Sub-Micron）技術(shù)的問題：

每次我們縮小晶體管尺寸時，都會生成一個新的技術(shù)節(jié)點。所以我們已經(jīng)看到了如28nm，16nm等的晶體管尺寸。我們知道，縮小晶體管可以實現(xiàn)更快的開關(guān)、更高的密度、更低的功耗，更低的每晶體管成本以及跟多的其他增益。

基于CMOS（互補金屬氧化物半導體）的晶體管可以在28nm節(jié)點上運行良好。然而，如果我們將CMOS晶體管縮小到28nm以下，則短溝道效應變得不可控制。在該節(jié)點下，由drain-source電源產(chǎn)生的水平電場試圖控制通道。結(jié)果，柵極不能控制遠離它的漏電路徑。

16nm / 7nm晶體管技術(shù)：FinFet和FD-SOI：

VLSI工業(yè)已采用FinFET和SOI晶體管用于16nm和7nm節(jié)點，因為這兩種結(jié)構(gòu)都能夠防止這些節(jié)點的漏電問題。這兩種結(jié)構(gòu)的主要目標是最大化柵極到溝道（gate-to-channel）的電容并最大限度地減小漏極到溝道（drain-to-channel）的電容。在兩個晶體管結(jié)構(gòu)中，引入溝道厚度縮放作為新的縮放參數(shù)。隨著溝道厚度減小，沒有路徑（path），因為它已經(jīng)遠離了柵極區(qū)域離。因此，柵極對通道具有良好的控制，這就消除了短通道效應。

在絕緣體上硅（SOI）晶體管中，使用掩埋氧化物層，其將主體與圖1（a）中所示的襯底隔離。由于BOX層，漏—源（drain-source）寄生結(jié)電容減小，這帶來更快的切換。對SOI晶體管來說，它們面對的主要挑戰(zhàn)是難以在芯片上制造薄硅層。

圖1：a）FD-SOI結(jié)構(gòu)b）FinFET結(jié)構(gòu)和通道

FinFET，也稱為三柵極控制通道，如圖1（b）中的三個側(cè)面所示。我們可以看到，有一個薄的垂直“硅體”，看起來像是由柵極結(jié)構(gòu)包裹的魚的Fin。通道的寬度幾乎是Fin高度的兩倍。因此，為了獲得更高的驅(qū)動強度，我們就使用了多Fin結(jié)構(gòu)。FinFET的收益之一是帶來了更高的驅(qū)動電流需求。但FinFET面臨的主要挑戰(zhàn)是復雜的制造工藝。

5nm以下的挑戰(zhàn)：下一步是什么？

隨著表面粗糙度散射增加的，同時減小“硅體”厚度，這將會帶來較低的遷移率。這主要因為FinFET是3D結(jié)構(gòu)，所以降低了散熱方面效率。此外，如果我們進一步縮小FinFET晶體管尺寸，比如低于7nm，則漏電問題再次出現(xiàn)。再加上如自加熱（self-heating）和閾值平坦化（threshold flattening）等諸多問題也會被考慮進來，這就推動我們?nèi)パ芯科渌赡艿木w管結(jié)構(gòu)，并用新的有效材料替換現(xiàn)有材料。

根據(jù)ITRS路線圖（國際半導體技術(shù)路線圖），下一代技術(shù)節(jié)點分別為5nm，3nm，2.5nm和1.5nm。在VLSI行業(yè)和學術(shù)界，也正在進行許多不同類型的研究和研究，以尋找滿足這些未來技術(shù)節(jié)點要求的潛在解決方案。在這里，我們討論一些有前景的解決方案，其中包括了碳納米管FET（carbon nanotube FET）、GAA晶體管結(jié)構(gòu)和化合物半導體等用于未來節(jié)點的技術(shù)。

圖2：晶體管技術(shù)路線圖

CNTFET - 碳納米管FET：

CNT（碳納米管）展示了一類新興的半導體材料，它是由卷起的單片碳原子組成以形成的管狀結(jié)構(gòu)。CNTFET是一個場效應晶體管（FET），使用半導體CNT作為兩個金屬電極之間的溝道材料，這就形成了源極和漏極接觸。在這里，我們將討論碳納米管材料以及它如何在較低的技術(shù)節(jié)點下給FET帶來提升。

什么是碳納米管？

CNT是由碳制成的管狀材料，擁有可在納米尺度上測量的直徑。它們具有長而中空的結(jié)構(gòu)，由一個原子厚的碳片形成，這個東西就被稱為“石墨烯”（Graphene）。碳納米管具有不同的結(jié)構(gòu)、長度、厚度、螺旋度和層數(shù)。主要被分類為單壁碳納米管（Single Walled Carbon Nanotube ：SWCNT）和多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotube ：MWCNT）。如所示圖3（a） ，可以看到，單壁碳納米管是由單層的石墨烯構(gòu)成，而多壁碳納米則是由多個石墨烯層組成。

圖3：a）單壁和多壁CNT b）手性矢量表示

碳納米管的特性：

碳納米管在熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，如下所述：

1、金屬和半導體行為

CNT可以表現(xiàn)出金屬和半導體行為。這種行為變化取決于石墨烯片的卷繞方向，這被稱為手性矢量(chirality vector)。該向量由一對整數(shù)（n，m）表示，如圖3（b）所示。如果'n'等于'm'，或者'n'和'm'的差值是三的整數(shù)倍,則CNT表現(xiàn)為金屬，否則它表現(xiàn)為半導體。

2、令人難以置信的流動性

因為SWCNT能夠表現(xiàn)為金屬或半導體，所以擁有對稱傳導（symmetric conduction）和承載大電流的能力，這就使得它們具有很強的電子應用潛力，由于沿CNT軸的低散射率，沿CNT長度的電子和空穴具有很高的電流密度。數(shù)據(jù)顯示，CNT可以承載大約10 A / nm^ 2的電流，而標準金屬線的載流能力僅為10 nA / nm^ 2。

3、出色的散熱性

熱管理是電子設(shè)備性能的重要參數(shù)。碳納米管（CNT）是眾所周知的納米材料，擁有出色的散熱性能。此外，與硅相比，它們對I-V特性的溫度升高影響較小。

晶體管應用中的CNT：CNFET

碳納米管的帶隙可以通過其手性（chirality）和直徑改變，因此可以使碳納米管表現(xiàn)得像半導體。半導體CNT可以是納米級晶體管器件溝道材料的有利候選者，因為它提供了遠超傳統(tǒng)硅MOSFET的許多優(yōu)點。碳納米管傳導熱量類似于鉆石或藍寶石。此外，與硅基器件相比，它們的切換更可靠，功耗更低。

此外，CNFETS的跨導率（trans-conductance）比其對應物（counterpart）高四倍。CNT可與High-K材料集成，從而為通道提供良好的柵極控制。由于遷移率增加，CNFET的載流子速度是MOSFET的兩倍。在相同的晶體管尺寸下，N型和P型CNFET的載流子遷移率類似。但在CMOS中，因為遷移率值不同，PMOS（P型金屬氧化物半導體）晶體管尺寸大約是NMOS（N型金屬氧化物半導體）晶體管的2.5倍。

CNTFET的制造是一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務，因為它需要精確和準確的方法。在這里我們討論頂部門控（Top-gated）的CNTFET制造方法。

該技術(shù)的第一步始于將碳納米管放置在氧化硅襯底上，然后分離各個管，使用先進的光刻來定義和圖案化源極和漏極觸點。然后通過改善觸點和CNT之間的連接來減小接觸電阻。通過蒸發(fā)（evaporation）技術(shù)在納米管上進行薄頂柵（top-gate）電介質(zhì)（dielectric）的沉積（deposition）。最后，為了完成該過程，柵極接觸被沉積在柵極電介質(zhì)上。

圖4：碳納米管FET的概念

CNTFET面臨的挑戰(zhàn)：

在商用CNFET技術(shù)的路線圖上，存在許多挑戰(zhàn)。他們中的大多數(shù)已經(jīng)得到一定程度的解決，但其中也有一些尚未得到克服。在這里，我們將討論CNTFET的一些主要挑戰(zhàn)。

1、接觸電阻

對于任何先進的晶體管技術(shù)來說，晶體管尺寸減小而帶來的接觸電阻的增加是他們面對的主要性能問題。由于晶體管的按比例縮小，接觸電阻顯著增加，這就帶來晶體管性能下降。到目前為止減小器件觸點的尺寸帶來執(zhí)行量（execution）大幅下降，這是硅和碳納米管晶體管技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

2、碳納米管的合成

CNT的另一個挑戰(zhàn)是改變其手性（chirality），使其表現(xiàn)得像個半導體。合成的管（synthesized tubes）具有金屬和半導體的混合物。但是，由于只有半導體元件有資格成為晶體管，因此需要發(fā)明新的工程方法，在將金屬管與半導體管分離時獲得明顯更好的結(jié)果。

3、開發(fā)非光刻工藝，將數(shù)十億個這些納米管放置在芯片的特定位置上，這構(gòu)成了極具挑戰(zhàn)性的任務。

目前，許多工程團隊正在對行業(yè)和大學中的CNTFET器件及其邏輯應用進行研究。在2015年，一家領(lǐng)先的半導體公司的研究人員成功地使用“緊密接觸方案”（close-bonded contact scheme）將金屬觸點與納米管結(jié)合起來。他們通過在管的末端放置金屬接觸并使它們與碳反應形成不同的化合物來實現(xiàn)這一點。這項技術(shù)幫助他們將觸點縮小到10納米以下而不影響性能。

Gate all around FET：GAAFET

未來的潛在晶體管結(jié)構(gòu)之一是GAAFET（Gate all around FET）。Gate-all-around FET是FinFET的擴展版本。在GAAFET中，柵極材料從四個方向圍繞溝道區(qū)域。在簡單的結(jié)構(gòu)中，作為溝道的硅納米線被柵極結(jié)構(gòu)“包圍”。垂直堆疊的多個水平納米線結(jié)構(gòu)被證明非常適合于提高每個限定區(qū)域的電流。圖5中展示出了多個垂直堆疊的gate-all-around硅納米線的概念。

圖5：垂直堆疊的納米線GAAFET

除硅材料外，還可以使用一些其他材料，如InGaAs，鍺納米線，借助這些材料能獲得更好的移動性。

在復雜的柵極制造，納米線和接觸方面，GAAFET存在許多障礙。其中一個具有挑戰(zhàn)性的工藝是從硅層制造納米線，因為它需要一種新的蝕刻工藝方法。

最近，位于魯汶的研發(fā)公司聲稱，他們在直徑為10納米以下的納米線上使用GAAFET在通道上實現(xiàn)了出色的靜電控制。去年，一家領(lǐng)先的半導體公司推出了一款5nm芯片，該芯片采用堆疊納米線GAAFET技術(shù)，在50mm^2芯片上集成了300億個晶體管。據(jù)稱，與10nm節(jié)點相比，該芯片性能提高了40％，在相同性能下功耗降低了70％。

化合物半導體

繼續(xù)晶體管微縮的另一種有希望的方法是選擇表現(xiàn)出更高載流子遷移率的新型材料，而擁有來自III、V族成分的化合物半導體與硅相比，明顯擁有更高的遷移率。其中一些化合物半導體實例是銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）。根據(jù)各種研究，化合物半導體與FinFET和GAAFET的集成在更小的節(jié)點處表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

化合物半導體的主要問題是硅和III-V半導體之間的大的晶格（lattice）失配，導致晶體管溝道的缺陷。有一家公司開發(fā)了一種含有V形溝槽的FinFET進入硅襯底。這些溝槽充滿銦鎵砷并形成晶體管的鰭片。溝槽底部填充磷化銦以減少漏電流。利用這種溝槽結(jié)構(gòu)，已經(jīng)觀察到缺陷在溝槽壁處終止，從而能夠降低溝道中的缺陷。

結(jié)論

從22nm節(jié)點到7nm節(jié)點，F(xiàn)inFET已被證明是成功的，并且它還可以繼續(xù)縮小到另一個節(jié)點。但我們也應該看到，除此之外，還存在各種挑戰(zhàn)，如自加熱，遷移率降低，閾值平坦等。

我們已經(jīng)討論了碳納米管的優(yōu)異運動特性，散熱性，高載流能力,這將為替代現(xiàn)有硅技術(shù)提供了有前景的解決方案。

隨著水平納米線的堆疊打開“第四柵極”，Gate-all-around晶體管結(jié)構(gòu)也是替換FinFET垂直Fin結(jié)構(gòu)以獲得良好靜電特性的良好候選者。

雖然目前尚不清楚技術(shù)路線圖中的下一步是什么。但是可以肯定的是，在未來的晶體管技術(shù)中，必須改變現(xiàn)有的材料，結(jié)構(gòu)，EUV（極紫外）光刻工藝和封裝，才能繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。