CFET將開(kāi)啟三維晶體管結(jié)構(gòu)新紀(jì)元？

互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET）晶體管結(jié)構(gòu)采用晶體管垂直堆疊結(jié)構(gòu)，能夠緩解關(guān)斷狀態(tài)下的漏電和晶體管閾值隨柵長(zhǎng)變化帶來(lái)的問(wèn)題，也使得晶體管能夠在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更佳的性能。下面來(lái)介紹CFET的技術(shù)進(jìn)展以及未來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 在剛剛落下帷幕的2023年IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM2023）上，臺(tái)積電、三星和英特爾各自秀出了在下一代晶體管結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的尖端技術(shù)。圖中這款被稱為“互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET）”的晶體管結(jié)構(gòu)，被視為1nm以下制程的關(guān)鍵要素，是繼FinFET和GAA之后的新一代的晶體管技術(shù)。它的出現(xiàn)，將為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)哪些不一樣的圖景？

CFET示意圖（圖片來(lái)源：imec）

CFET將開(kāi)啟三維晶體管結(jié)構(gòu)新紀(jì)元？

據(jù)了解，CFET與此前晶體管結(jié)構(gòu)的最大不同之處，在于采用晶體管垂直堆疊結(jié)構(gòu)，這或?qū)㈤_(kāi)啟三維晶體管結(jié)構(gòu)新紀(jì)元。

在FinFET和GAA架構(gòu)出現(xiàn)以前，芯片晶體管結(jié)構(gòu)采用的是平面MOSFET，這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)等比例縮小器件尺寸來(lái)提高器件性能，增大芯片上器件數(shù)量。但是，當(dāng)溝道長(zhǎng)度小于一定值時(shí)，柵極對(duì)于溝道的控制能力會(huì)下降，出現(xiàn)短溝道效應(yīng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)界提出了FinFET和GAA兩種新型晶體管結(jié)構(gòu)。前者通過(guò)將溝道向上延展形成立體結(jié)構(gòu)，后者采用柵極環(huán)繞溝道的結(jié)構(gòu)，來(lái)緩解關(guān)斷狀態(tài)下的漏電和晶體管閾值隨柵長(zhǎng)變化帶來(lái)的問(wèn)題，也使得晶體管能夠在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更佳的性能。

然而，由于晶體管結(jié)構(gòu)從平面轉(zhuǎn)換到了立體結(jié)構(gòu)，難以繼續(xù)通過(guò)等比例縮小晶體管尺寸來(lái)增加芯片上器件密度。隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，芯片制程也愈發(fā)接近物理極限，為了能夠進(jìn)一步增加單位面積上的器件數(shù)量，業(yè)內(nèi)開(kāi)始嘗試將原本的立體結(jié)構(gòu)晶體管再進(jìn)行堆疊，提出了采用垂直堆疊結(jié)構(gòu)的CFET。

臺(tái)積電最新資料顯示，采用CFET垂直堆疊架構(gòu)的芯片，相較采用Nanosheet（GAA）架構(gòu)的器件，面積最多能縮小50%。

采用CFET架構(gòu)的器件面積最多能夠縮小50%（圖片來(lái)源：臺(tái)積電）

三大家集體公布CFET相關(guān)技術(shù)進(jìn)展

基于此，先進(jìn)制程的三大頭部玩家臺(tái)積電、三星、英特爾都在密切關(guān)注CFET相關(guān)技術(shù)。

臺(tái)積電指出，CFET晶體管現(xiàn)已在臺(tái)積電實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行性能、效率和密度測(cè)試，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了48nm的柵極間距。此外，臺(tái)積電還介紹了在CFET晶體管方面獨(dú)特的設(shè)計(jì)和制造方法：在頂部和底部器件之間形成介電層以保持它們的隔離，這種設(shè)計(jì)可以減少漏電和功耗。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更好的性能和更高的集成度，臺(tái)積電在其CFET晶體管工藝中，嘗試將納米片中硅和硅鍺的交替層進(jìn)一步隔離。例如，臺(tái)積電通過(guò)特定的蝕刻方法去除納米片中的硅鍺材料，從而釋放硅納米線。為了能將納米片中硅和硅鍺的交替層進(jìn)一步隔離，臺(tái)積電使用了鍺含量異常高的硅鍺。這種材料比其他SiGe層蝕刻得更快，因此可以在釋放硅納米線之前構(gòu)建隔離層。

臺(tái)積電在最新的架構(gòu)迭代介紹中加上了CFET結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：臺(tái)積電）

三星將CFET晶體管結(jié)構(gòu)稱為3DSFET，目前的柵極間距為45/48nm。在技術(shù)創(chuàng)新方面，三星實(shí)現(xiàn)了對(duì)堆疊式pFET（P溝道場(chǎng)效應(yīng)管）和nFET（n溝道場(chǎng)效應(yīng)管）器件的源極和漏極進(jìn)行有效的電氣隔離。這種隔離可以有效地減少漏電流，提高器件性能和可靠性。此外，三星還通過(guò)將濕化學(xué)物質(zhì)的刻蝕步驟替換為新型干法刻蝕，以此讓芯片中CFET器件的良率顯著提升。

英特爾展示了將CFET晶體管結(jié)構(gòu)與背面供電技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)，并利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60nm的柵極間距。英特爾表示，此次在CFET方面的創(chuàng)新之處，在于將PMOS（P型金屬氧化物半導(dǎo)體）和NMOS（N型金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)合在了一起，使得開(kāi)關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)能力具有互補(bǔ)性，從而提升了晶體管的整體性能。將PMOS和NMOS與其PowerVia背面供電器件觸點(diǎn)相結(jié)合，以此更好地控制電流的流動(dòng)，提高電源效率。

英特爾CFET示意圖（圖片來(lái)源：英特爾）

雖然，三家均未透露將在具體哪個(gè)制程節(jié)點(diǎn)中采用該晶體管結(jié)構(gòu)，但公開(kāi)資料顯示，臺(tái)積電或?qū)⒃谄?032年量產(chǎn)的A5工藝中，采用CFET架構(gòu)。

臺(tái)積電或?qū)⒃谄?032年量產(chǎn)的A5工藝中采用CFET架構(gòu)（圖片來(lái)源：imec）

平衡成本和性能問(wèn)題是關(guān)鍵

CFET結(jié)構(gòu)“初露端倪”，讓業(yè)界看到了晶體管結(jié)構(gòu)新的發(fā)展前景。然而，業(yè)內(nèi)專家預(yù)估，CFET結(jié)構(gòu)需要7～10年才能投入商用。

為何不能短時(shí)間內(nèi)在現(xiàn)有的芯片制程中采用三維晶體管結(jié)構(gòu)？目前CFET制程需要解決多層堆疊帶來(lái)的大量的技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前，CFET擬采用的工藝路徑是一次外延生長(zhǎng)PFET和NFET兩種器件的多層結(jié)構(gòu)，再分別在兩種外延層上制造FET。這大幅增加了器件制造的工藝復(fù)雜度，過(guò)去在FinFET和GAA中行之有效的工藝方法大部分不再適用。以FET源漏模塊為例，不能再采用離子注入工藝對(duì)源漏進(jìn)行摻雜，需要用雜質(zhì)在線外延的辦法把摻雜元素帶到源漏區(qū)附近，再擴(kuò)散達(dá)成摻雜。這些改變，需要從頭開(kāi)發(fā)新工藝，并逐漸使之成熟。類似的改變還有很多，需要大量和長(zhǎng)周期的工藝研發(fā)，才能解決存在的全部技術(shù)挑戰(zhàn)。

在CFET所需要的新工藝中，多層堆疊熱退火問(wèn)題是CFET面臨的最大挑戰(zhàn)之一。據(jù)了解，半導(dǎo)體材料在晶體生長(zhǎng)和制造過(guò)程中，由于各種原因會(huì)出現(xiàn)缺陷、雜質(zhì)、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)性缺陷，導(dǎo)致晶格不完整，施加電場(chǎng)后的電導(dǎo)率較低。通過(guò)熱退火處理，可以使材料得到修復(fù)，結(jié)晶體內(nèi)部重新排列，去除大部分缺陷和雜質(zhì)，恢復(fù)晶格完整，提高電導(dǎo)率和電學(xué)性能。

半導(dǎo)體熱退火需要在1050℃的高溫下進(jìn)行，在進(jìn)行熱退火操作后，還需要在芯片內(nèi)部用銅和鋁等金屬進(jìn)行互聯(lián)。在以往的非堆疊晶體管結(jié)構(gòu)中，僅進(jìn)行一次熱退火即可，而在堆疊結(jié)構(gòu)中，每堆疊一層就要再多進(jìn)行一次熱退火。此外，芯片內(nèi)部的很多金屬互聯(lián)材料難以在1050℃的高溫中保持穩(wěn)定。這也導(dǎo)致在第二層晶體管結(jié)構(gòu)中，無(wú)法采用傳統(tǒng)方式來(lái)進(jìn)行整體的熱退火，需要采用激光進(jìn)行局部退火從而效避開(kāi)金屬連接處。而采用激光退火不僅會(huì)增加工藝難度，還會(huì)因設(shè)備成本高而提升整體芯片制造成本。

“這就好比，原本用毛筆寫(xiě)的字，現(xiàn)在要用簽字筆來(lái)寫(xiě)。字的大小沒(méi)變，但需要用簽字筆一點(diǎn)點(diǎn)地描繪。因此，采用CFET結(jié)構(gòu)的芯片，需要先解決用激光進(jìn)行熱退火帶來(lái)的成本問(wèn)題，才能加快商用的步伐?！?END 轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn) 不代表中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所立場(chǎng)

審核編輯：黃飛