EDA探索之MOSFET的微缩-nanosheet era

2022年，集成电路半导体行业最热的头条是“EDA被全面封锁”。如何突破EDA封锁，成为行业发展的关键词，也是群体焦虑。在全球市场，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果没有了芯片，工业发展和社会进步将处处受制，EDA的重要性也上升到了战略性高度。尽管国际封锁形势严峻，但睿智的中国科技人擅于把危机化为机会，从《加快自主研发应用，让工业软件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三张牌》，即一要打好“基础牌”，提升基础创新能力；二要打好“应用牌”，加强对高精尖国货的应用；三是要打好“人才牌”，让人才留得住、用得上、有发展……，各种政策、举措和实际行动，处处彰显了我们中国科技的发展韧性。

我们EDA探索频道，今天迎来了第14期的内容——MOSFET的微缩-nanosheet era，下面就跟着小编一起来开启今天的探索之旅吧~

为什么要从FinFET转向纳米片？

按照逻辑CMOS的发展路径，业界为逐步减少逻辑标准单元库的尺寸做出了相当大的努力。

逻辑标准单元布局的示意图（CPP=接触的多孔间距，FP=Fin间距，MP=金属间距；单元高度=每单元的金属线数xMP）。

做到这一点的一个方法是通过减少轨道数来降低单元高度--它被定义为每个单元的金属线（或轨道）的数量乘以金属间距。对于FinFET，通过逐步将一个标准单元内的Fin数量从3个减少到2个，实现了具有更小的单元高度的新一代产品，如7.5T和6T标准单元。然而，如果保持Fin的尺寸，这种变化是以牺牲驱动电流和变异性为代价的。为了补偿驱动电流和变异性的退化，在单元高度的缩放中，Fin越来越高。最终可以持续到1个Fin，并且可以实现5T标准单元。

在基于FinFET的架构中，为了实现标准单元的减小，需要减小Fin的数量。Fin越来越高、越来越薄、越来越近。这种演变降低了驱动强度，增加了变异性。

然而，进一步提高基于5T FinFET的单Fin器件架构的驱动电流是极具挑战性的。而这正是纳米片架构可以解决问题的地方。通过在只允许一个Fin的标准单元中垂直堆叠纳米片状的传导通道，可以实现更大的有效沟道宽度。这样，纳米片可以提供比Fin更大的单位面积驱动电流--这是进一步扩大CMOS规模的关键优势。纳米片结构还允许可变的器件宽度，这使得设计具有一定的灵活性：设计者可以通过减少面积和电容来得到增强的驱动电流（较小的沟道宽度倾向于减少片间的寄生电容）。与FinFET架构相比，纳米片的另一个显著优势是它的 "全栅极 "结构：由于传导通道现在完全被HKMG所包围，对于较短的沟道长度，可以实现对沟道更好的栅极控制。

垂直堆叠的GAA（Gate All Around）纳米片晶体管的优化。(左）纳米片形状控制；（右）纳米片垂直空间分隔的减小。

Forksheet

进一步提高直流性能最优雅的方法是扩大沟道的有效宽度。但在传统的纳米片结构中，这变得非常困难。主要的障碍在于n型和p型器件之间需要很大的空间余量，这使得有效纳米片宽度在按比例的单元高度中变得困难，空间被功函数金属的图形化步骤所消耗。Forksheet器件结构可以解决这一挑战。Forksheet是imec在2017年（IEDM 2017）首次公开提出用于SRAM微缩，后来（IEDM 2019）又用作逻辑标准单元微缩。在这种架构中，通过在栅极图案化之前在n-和pMOS器件之间引入一个电介质墙，实现了更小的n-p分离。功函数金属图案的遮蔽图案现在可以在介质壁上完成，而不像在纳米片的制造中在的栅极的底部。这使得n-p间距更加紧密。

制备在一起的Forksheet和纳米片器件管的TEM照片。对于Forksheet，n和p器件管的间距是17nm

CFET

有效沟道宽度的进一步扩大是通过互补FET（或CFET）结构实现的，其中n-和pMOS器件相互堆叠在一起。这将n-p分隔转移到了垂直方向，因此从单元高度的考虑中去除n-p间距。沟道宽度可以进一步扩大，由此产生的面积增益也可用于将轨道高度推至4T及以下。仿真表明，CFET对未来的逻辑以及SRAM的面积微缩都是有帮助的。在CFET中，沟道可以以Fin（p-Fin上的n-Fin）或纳米片（p-片上的n-片）的形式制成。

从Finfet到CFET

从工艺的角度来看，制造CFET是相当复杂的。有不同的制备路线，目前仍在探索中。

结论

我们回顾了为CMOS逻辑器件微缩引入纳米片式晶体管架构的主要好处和挑战。每一代新产品——由纳米片、Forksheet和CFET实现——都伴随着性能的提高（通过优化有效沟道宽度）和逻辑标准单元高度的进一步降低。从工艺的角度来看，纳米片架构可以被认为是FinFET架构的一个进化步骤。然而，每一种不同的纳米片架构都伴随着特定的集成挑战，对此，IMEC将继续探索和评估解决方案。

编辑：黄飞