下一代CMOS邏輯，邁入1nm時代

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。