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來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自imec，謝謝。
在本周舉辦的2022 年國際電子設(shè)備會議 (IEEE IEDM 2022) 上，世界領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心 imec 提出了一種半鑲嵌（semi-damascene）集成方法，用于實(shí)施垂直-水平-垂直 (VHV：vertical-horizontal-vertical) 縮放助推器——旨在啟用 4 軌 (4T) 標(biāo)準(zhǔn)單元。半鑲嵌工藝使中間線 (MOL) 層的單元邊界縮小至 8nm 尖端到尖端 (T2T：tip-to-tip)，并提供自對準(zhǔn)邊緣。設(shè)計(jì)人員可以使用助推器將標(biāo)準(zhǔn)單元封裝得更緊，面積比 5T 設(shè)計(jì)增加 21%。新穎的路由方案以及半鑲嵌集成方法對于逐步將邏輯縮放路線圖很好地推進(jìn)Å時(shí)代至關(guān)重要。
長期以來，提供前端 (FEOL) 和后端 (BEOL) 之間連接的 MOL 一直被組織為單層觸點(diǎn)。但目前，它正在擴(kuò)展到多個(gè)層，例如，包括 Mint 和 Vint 層。這些 MOL 層將電信號從晶體管的源極、漏極和柵極傳輸?shù)骄植炕ミB，反之亦然。
Imec 最近推出了一種稱為 VHV 的新型標(biāo)準(zhǔn)單元布線架構(gòu)，其中包括引入額外的 MOL 層 (M0B) 作為縮放助推器，以實(shí)現(xiàn) 4T 標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)。有了這個(gè)助推器，標(biāo)準(zhǔn)單元中的前三個(gè)布線層遵循 VHV 布線方式，而不是 5T 標(biāo)準(zhǔn)單元中的傳統(tǒng) HVH 布線方式。然而，從工藝集成的角度來看，新型兩級 MOL VHV 縮放助推器具有挑戰(zhàn)性，主要是由于相鄰 4T 標(biāo)準(zhǔn)單元之間的邊界很緊。單元邊界要求相鄰的 MOL M0B 線和兩個(gè)彼此面對的通孔 (VintB) 之間有緊密的 T2T，通孔邊緣定義明確——所有這些都在頂部 Mint 層的一個(gè)臨界尺寸 (CD) 的最小距離內(nèi)。這意味著對于即將到來的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，T2T 和 VintB 過孔距離需要從 ~24nm 逐漸減少到 ~8nm。這不能再使用直接平版印刷來實(shí)現(xiàn)，而是需要自對準(zhǔn)圖案化策略。
在 IEDM 2022 上，imec 展示了研究人員如何使用涉及直接金屬蝕刻的兩級半鑲嵌方法來定義相鄰標(biāo)準(zhǔn)單元之間的緊密邊界。，imen納米互連項(xiàng)目總監(jiān)兼研究員Zsolt T?kei說，我們從傳統(tǒng)定義的連續(xù)線和更寬的過孔開始，一旦完成兩個(gè)金屬層，我們將它們分成兩部分，使用頂部 16-18 納米間距 Mint 層作為最終圖案化步驟的硬掩模。這導(dǎo)致 3 個(gè)邊緣（Mint、VintB 和 M0B）同時(shí)自對齊。借助我們的基于 Ru 的兩級測試載體，我們獲得了 10.5 納米的平均 via CD 和 8.9 納米的 M0B T2T——這是一項(xiàng)關(guān)鍵成就。” Imec 研究人員通過線路電阻和隔離特性的初始電氣特性來補(bǔ)充結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。
Zsolt T?kei 補(bǔ)充道：“VHV 路由方案是一個(gè)關(guān)鍵的擴(kuò)展助推器，可在 A10、A7、A5、A3 技術(shù)節(jié)點(diǎn)啟用單元邊界。” “它還適用于未來的設(shè)備架構(gòu)，例如納米片、叉片和 CFET。通過將半鑲嵌從 BEOL 擴(kuò)展到 MOL，我們現(xiàn)在還找到了一種集成這種有前途的助推器的方法。然而，還需要進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)查，為此，imec 正在開發(fā)一種新的專用掩模。”
1nm的實(shí)現(xiàn)方法探討
近來，IMEC CMOS 器件技術(shù)總監(jiān) Naoto Horiguchi 和 imec 研究員兼 imec 納米互連項(xiàng)目總監(jiān) Zsolt Tokei 接受了采訪，談到了他們對1nm等先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)方式的看法。
沿著擴(kuò)展路徑，他們展示了邏輯器件開發(fā)需要如何與在生產(chǎn)線后端引入創(chuàng)新并在越來越大的程度上在生產(chǎn)線中間引入創(chuàng)新齊頭并進(jìn)。
問：您如何看待未來幾年邏輯設(shè)備的擴(kuò)展？
Naoto Horiguchi：大多數(shù) IDM 和代工廠最近都宣布從主流 FinFET 過渡到用于其 3nm 或 2nm 邏輯技術(shù)世代的環(huán)柵 (GAA) 納米片 FET 架構(gòu)。imec 的一項(xiàng)發(fā)明forksheet 結(jié)構(gòu)則可以延長這種納米片的生成。在forksheet之后，我們預(yù)計(jì)互補(bǔ) FET (CFET) 將進(jìn)入邏輯擴(kuò)展路線圖。”
“這些轉(zhuǎn)變將使我們能夠逐步推動標(biāo)準(zhǔn)單元在 4T 以下的軌道高度縮放，同時(shí)仍然提供功率性能優(yōu)勢。
除了 CFET，二硫化鎢 (WS 2 )等二維單層晶體材料有望替代 CMOS 溝道中的 Si，為進(jìn)一步縮小柵極長度提供機(jī)會。”
問：這些創(chuàng)新將如何影響B(tài)EOL？后端和MOL需要哪些發(fā)展才能跟上FEOL的擴(kuò)展？
Zsolt Tokei：“FEOL)的高級擴(kuò)展需要與BEOL)的創(chuàng)新齊頭并進(jìn)，這就需要無縫連接到底層設(shè)備結(jié)構(gòu)的互連網(wǎng)絡(luò)。隨著 forksheet 架構(gòu)進(jìn)入路線圖，單元高度被推到 5T 以下，關(guān)鍵 BEOL 層中的金屬間距將變得小到 20nm 及以下。從電容、電阻（通孔和導(dǎo)線）以及成本、可印刷性和可靠性的角度來看，這都極具挑戰(zhàn)性——需要在設(shè)計(jì)、模塊和材料層面進(jìn)行創(chuàng)新。這推動了新互連集成方案的發(fā)展，例如混合通孔金屬化（解決通孔電阻增加）和半鑲嵌工藝流程——作為當(dāng)今主流銅雙鑲嵌工藝的替代品。半鑲嵌涉及金屬的直接蝕刻以獲得更高縱橫比的線條，并且可以包括間隙填充。
Naoto Horiguchi：“為了加強(qiáng)先進(jìn)邏輯器件縮放和互連開發(fā)之間的協(xié)同作用，MOL)活動開始發(fā)揮越來越重要的作用。將 BEOL 和 FEOL 連接在一起的 MOL 長期以來一直被組織為源極、漏極和柵極的單層接觸。
但向低于 5T 電池架構(gòu)的過渡推動了向多層 MOL 結(jié)構(gòu)的演變，其中添加了額外的層和通孔——類似于過去 BEOL 的演變方式。”
問：您的團(tuán)隊(duì)最近取得了哪些突破？
Naoto Horiguchi：“雖然forksheet器件架構(gòu)的面積和性能優(yōu)勢已經(jīng)通過 TCAD 模擬顯示出來，但我們現(xiàn)在首次展示了功能集成 forksheet的FET 器件的電氣特性——這一突破性成果將在 2021 VLSI 上得到強(qiáng)調(diào)。我們已經(jīng)展示了該架構(gòu)的關(guān)鍵模塊，包括介電壁和 17nm np 間距的替代金屬柵極圖案。盡管forksheet設(shè)備是三門設(shè)備架構(gòu)，但在我們的工作中沒有觀察到靜電性能下降。”
問：從納米互連的角度來看，imec 正在探索哪些途徑來補(bǔ)充這一成就？
Zsolt Tokei：forksheet等擴(kuò)展納米片架構(gòu)需要新的 BEOL 集成方案，例如半鑲嵌，以實(shí)現(xiàn)低于 20 納米的金屬間距。同時(shí)，我們正在開發(fā)新的多層 MOL 布線方案，例如垂直-水平-垂直 (VHV) 方案。結(jié)合縮放增強(qiáng)器（例如自對準(zhǔn)觸點(diǎn)和埋入式電源軌 (BPR)），這些多層 MOL 方案將為在更小單元高度上實(shí)現(xiàn)更高效的單元內(nèi)布線鋪平道路。”
Naoto Horiguchi：“在 MOL 中實(shí)施多層工藝流程，結(jié)合諸如埋入式電源軌 (BPR) 之類的縮放助推器，這將在很大程度上增強(qiáng)我們基于forksheet的電池設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性，將軌道高度從 5T 推到 4T。因此，在 MOL 中引入semi-damascene是 FEOL、MOL 和 BEOL 活動之間cross-fertilization所帶來好處的另一個(gè)例子。”
問：您期望實(shí)現(xiàn)的下一個(gè)重要里程碑是什么？
Naoto Horiguchi：“在 forksheet 關(guān)鍵模塊和設(shè)備演示之后，我們的計(jì)劃重點(diǎn)將逐漸從 forksheet 轉(zhuǎn)移到 CFET。
CFET 架構(gòu)由于其許多自由度而很復(fù)雜。Imec 將量化功率性能面積 (PPA) 優(yōu)勢和 CFET 工藝流程的復(fù)雜性，并向我們的合作伙伴推薦最佳選擇。雖然納米片、forksheet和 CFET 架構(gòu)將逐漸將單元軌道高度降低到 4T 及以上，但我們正在探索替代器件架構(gòu)，以解決接觸多節(jié)距 (CPP) 縮放速度放緩的問題，該接觸多節(jié)距 (CPP) 測量從一個(gè)晶體管的柵極接觸到相鄰設(shè)備上的柵極。”
Zsolt Tokei：“向 1nm CFET 系列邏輯器件的發(fā)展推動了新 BEOL 和 MOL 解決方案的開發(fā)。在 BEOL 中，我們早些時(shí)候提出了一種新的金屬化結(jié)構(gòu)，稱為“零通孔混合高度”。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)金屬層現(xiàn)在被分成三個(gè)獨(dú)立的子層，這允許根據(jù)它們的應(yīng)用需要調(diào)整金屬線的高度和縱橫比（因此，電容的交換電阻）。
我們很高興報(bào)告第一次 SRAM 評估，確認(rèn)讀取速度（30%）和寫入余量（50%）顯著提高。目前，我們正在努力實(shí)現(xiàn)真正的邏輯單元布局。”
“從長遠(yuǎn)來看，我們需要通過引入新的導(dǎo)體來補(bǔ)充這些集成方案。感興趣的是具有比 Ru 或 Mo 更好的品質(zhì)因數(shù)的有序二元或三元化合物。我們已經(jīng)通過第一次 ab initio 模擬和初步實(shí)驗(yàn)開拓了這一領(lǐng)域，現(xiàn)在我們正在與 imec 的材料研發(fā)小組密切合作，加強(qiáng)我們的活動。”
問：您希望芯片行業(yè)記住的關(guān)鍵信息是什么？
Naoto Horiguchi：“近年來，有一些人聲稱傳統(tǒng)的 CMOS 縮放已經(jīng)走到了盡頭。但是隨著許多創(chuàng)新的進(jìn)行，我們相信我們可以在至少未來十年內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)大 CMOS 規(guī)模。Imec 是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好地方。與合作伙伴的密切合作幫助我們應(yīng)對行業(yè)最大的挑戰(zhàn)，并將邏輯器件擴(kuò)展到 1nm 技術(shù)之外——利用與 imec 的納米互連、Insite 和材料開發(fā)活動的緊密合作。”
Zsolt Tokei：“同樣從 BEOL 的角度來看，我們有許多有趣且有效的選擇，使我們能夠在未來十年解決 RC 延遲瓶頸和流水線互連。我們可以為我們的合作伙伴提供一個(gè)全面的路線圖，其中包含與未來邏輯器件縮放相關(guān)的廣泛選項(xiàng)，其中的元素可以重新用于存儲器開發(fā)。我們正在通過新的見解、改進(jìn)的集成方案和新材料不斷豐富這一路線圖——其中一些還將在 7 月份即將舉行的 IITC 會議上展示。”
2nm后，晶體管的新選擇
從Forksheet到CFET
在2019年的VLSI座談會上，imec表示將會把CFET應(yīng)用到5納米、3納米、2納米上，筆者就此向其中一位演講者提出：“imec計(jì)劃從哪個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始使用CFET”？得到了以下回答：“就此，目前imec還沒有達(dá)成一致意見”。
后來，imec在其內(nèi)部達(dá)成了以下共識：3納米之前采用Nanosheet、2納米采用Forksheet、1納米采用CFET。也就是說，在此次VLSI座談會上，imec的其他發(fā)言人，如Sujith Subramanian先生，也是基于以上技術(shù)藍(lán)圖而做的發(fā)表。（如下圖）
此外，在1納米中，采用了將nMOS和pMOS縱向排列的CFET（如下圖8），雖然CFET的工藝流程非常復(fù)雜，但毫無疑問，極大地縮小了CMOS、SRAM的面積，達(dá)到了集成化。問題是---是否做到了人們所期待的晶體管的特性，這是未來研發(fā)的關(guān)鍵。
1nm以后的晶體管選擇：CFET？
在VLSI 2020上，IMEC發(fā)表了有關(guān)單片CFET的有趣論文，我有機(jī)會采訪了其中一位作者Airoura Hiroaki。在業(yè)界眾所周知，F(xiàn)inFET（FF）即將達(dá)到其定標(biāo)壽命。三星已經(jīng)宣布，他們將在3nm的時(shí)候轉(zhuǎn)向水平納米片（Horizontal Nanosheets ：HNS）。臺積電（TSMC）保持3nm的FF，但預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)移到2nm的新架構(gòu)。
假設(shè)英特爾當(dāng)時(shí)仍在追求自己的技術(shù)，則預(yù)計(jì)英特爾將保留7nm的FF，然后再遷移至5nm的HNS。
該行業(yè)最可能的路線圖是從FF到帶有或不帶有Forksheets的HNS，然后過渡到CFET（Complimentary FETs），請參見圖1。
從以上技術(shù)藍(lán)圖來看，28納米使用了High-K/Metal Gate，16納米---14納米導(dǎo)入了FinFET，7納米---5納米采用了EUV曝光設(shè)備，此外，還將Co應(yīng)用于Middle of Line（MOL）上。
MOL是一種將晶體管（FOEL）與多層配線（BEOL）連接在一起的孔（Via），雖然imec使用了Co，還有其他選擇項(xiàng)如Mo、Ru等。
此外，4納米---3納米中采用了具有Nanosheet結(jié)構(gòu)的晶體管。
此次的VLSI座談會上，有關(guān)7納米、5納米、3納米的文章發(fā)布得比較多，然而，筆者卻發(fā)現(xiàn)將Gate All Around（GAA）的Nanosheet結(jié)構(gòu)應(yīng)用在這些節(jié)點(diǎn)上的情況是全球共通的認(rèn)知。
同時(shí)從技術(shù)藍(lán)圖看，在2納米中，使用搭載了Buried Power Rail（BPR，在晶體管下埋入電源線的構(gòu)造）的Forksheet晶體管；在1納米中，將會使用采用了BPR的Complementary FET（CFET）。
imec在其內(nèi)部達(dá)成了以下共識：3納米之前采用Nanosheet、2納米采用Forksheet、1納米采用CFET。
也就是說，在此次VLSI座談會上，imec也是基于以上技術(shù)藍(lán)圖而做的發(fā)表。從上圖可以清晰地看出FinFET、Nanosheet、Forksheet、CFET的結(jié)構(gòu)變化。
從FinFET到CFET，通過將Contact Poly Pitch（PP）做到最小、分離nMOS和pMOS，以達(dá)到縮小SRAM面積的效果。
Forksheet 和CFET通過堆疊nFET和pFET器件的CFET改善n到p的間距來縮小尺寸，見圖3。
CFET結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的工作中，已經(jīng)開發(fā)了“單片”（monolithic） CFET，方法是將單獨(dú)的硅片用于nFET和pFET，然后將它們粘合在一起，而按照順序（sequential），CFET則會將兩種類型的FET都制造在同一硅片上。
Imec聲稱單片技術(shù)比順序技術(shù)便宜，而順序技術(shù)要求SOI會增加襯底成本1％。
片CFET的成本優(yōu)勢在1納米中，IMEC采用了將nMOS和pMOS縱向排列的CFET（如下圖8），雖然CFET的工藝流程非常復(fù)雜，但毫無疑問，極大地縮小了CMOS、SRAM的面積，達(dá)到了集成化。
問題是——是否做到了人們所期待的晶體管的特性，這是未來研發(fā)的關(guān)鍵。
我發(fā)現(xiàn)起始晶圓成本高出約1％，這有兩個(gè)原因，一是，我不相信順序CFET需要SOI，二是，SOI比標(biāo)準(zhǔn)晶圓貴了約1％。整體方法還將需要兩個(gè)起始晶圓，而不僅僅是一個(gè)。
我認(rèn)為這種成本分析需要更多的調(diào)查。在單片方法中，nFET和pFET在分離的晶圓上制造，從而可以針對該器件優(yōu)化每個(gè)器件的制造流程。
隨著我們朝N3方向發(fā)展，n到p的分離減少了寄生效應(yīng)并提高了性能。同樣，通過從FF移至GAA）可以在所有四個(gè)側(cè)面而不是三個(gè)側(cè)面上提供一個(gè)柵極，從而改善了靜電控制。
這項(xiàng)工作中制造的單片CFET為下一代器件提供了順序CFET的替代方案，需要進(jìn)一步研究。
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