CFET器件架构概述与行业路线图 - 互补型场效应晶体管（CFET）架构有望在逻辑技术路线图中取代环栅（GAA）纳米片晶体管，通过n型和p型MOS晶体管垂直堆叠，首次消除了标准单元高度中n-p间距的限制，结合先进接触和供电技术，有望大幅缩小逻辑标准单元尺寸[1] - 在所有集成流程中，单片CFET（mCFET）被认为是干扰最小、能最快将CFET引入符合行业实际尺寸器件中的方案，其垂直器件结构可在一系列工艺步骤中完成图案化和加工[1] - Imec预计将在逻辑技术路线图的A7节点（0.7nm）引入mCFET器件架构，届时mCFET将取代外壁叉片（outer wall forksheet），后者旨在将基于纳米的逻辑路线图扩展到A10节点，以期届时mCFET能够实现量产[2] 电路架构与可扩展性研究 - 在电路层面，imec提出双排CFET架构是将mCFET集成到A7标准单元中的最优方式，该标准单元包含两排堆叠器件，中间共享一个垂直信号过孔，单元边界处设有“VSS”功率墙[4] - 通过一项设计技术协同优化研究，imec展示了这种双排CFET架构如何在A7技术节点上实现制造能力和面积效率之间的最佳平衡[4] - 为评估新架构跨节点使用的可行性，imec研究人员通过模拟一个15级环形振荡器（包含15个基于mCFET的逆变器）的运行情况，来评估A7、A5和A3节点上的功率-性能-面积指标，关键性能指标是环形振荡器的频率[6] 性能提升关键技术路径 - 随着标准单元尺寸缩小，单个CFET沟道的薄层宽度减小，会降低有效驱动电流并增加寄生电容，因此需要性能提升措施来平衡参数并在不同节点保持性能，同时限制功率密度增加[7] - 扩展到A5节点需要引入外壁叉片器件架构，该结构被认为是纳米片器件的延伸，但其结构与CFET设计完全兼容，其外壁最后壁设计能增强沟道应力从而提高驱动电流，共享的n-n或p-p壁使得栅极延伸范围更小，从而降低栅极寄生电容[9] - A3节点除了需要Ω型栅极外壁叉片和M0电源轨外，还需要一个额外的性能增强器，通过引入混合沟道取向可进一步提高有效驱动电流，imec团队评估发现最佳组合可将驱动电流提高高达20%[9] 嵌入式中间介质隔离模块进展与优势 - Imec通过实验演示了关键模块：嵌入式MDI模块，该模块允许在mCFET工艺流程中集成不同方向的顶部nMOS器件和底部pMOS器件的沟道[11] - eMDI的制造流程始于载流子和供体晶圆，分别外延生长CFET特有的Si和牺牲SiGe层堆叠结构，然后使用晶圆熔合键合技术将这些外延堆叠结构重新组合，SiCN键合介质成为嵌入的MDI单层薄膜，用于隔离底部和顶部部分，之后使用传统的mCFET工艺流程完成加工[11] - Imec成功地将eMDI模块集成到完整的mCFET工艺流程中，并展示了具有不同沟道取向的功能性顶层器件，包括(100)硅顶层nFET、(100)和(110)硅顶层pFET，这些顶层器件采用正面连接方式制造[13] - 随后，集成流程进一步扩展，实现了与mCFET底部器件的直接背面接触，展示了具有集成eMDI模块、正面连接的(100) Si顶部nFET以及直接背面接触的(110) Si pFET的功能性mCFET器件[15] eMDI技术优势与未来发展方向 - 与早期版本的替代MDI相比，eMDI模块具有多项优势，在eMDI方案中，mCFET工艺从预先嵌入MDI模块的先进键合衬底开始，首次键合前使用单独晶圆生长n和pMOS有源外延层，这使得可以集成异质沟道以分别优化n和pMOS器件性能，这些沟道可以是不同取向、具有不同应变，甚至可以使用不同材料[17] - 其他优势包括降低工艺复杂性和简化外延生长步骤，eMDI避免了沉积复杂的Si/SiGe1/SiGe2多层堆叠结构，也无需用介质层替换虚拟SiGe2层，此外，通过在两个独立晶圆上生长外延堆叠，可以在外延生长过程中达到层弛豫之前添加更多Si沟道，从而提高设计灵活性，这种新型MDI模块只需对mCFET流程进行少量修改即可集成到任何mCFET基线中[19] - Imec目前正在优化基于eMDI的mCFET工艺流程中不同沟道方向的关键模块，未来工作将扩展该方案以集成不同的沟道材料，例如用于pMOS的Ge和用于nMOS的Si[20] - 此外，imec CFET团队计划采用类似的“嵌入式”方法来集成底部介质隔离层，与目前使用的替代型BDI相比，采用基于晶圆键合层转移的eBDI方法有望简化背面连接的集成，并为BDI材料的选择提供更大自由度，例如使用高导热材料可能有助于缓解对mCFET热可靠性的担忧[20] 技术节点总结与关键使能技术 - Imec通过一项DTCO研究确定了支持跨多个技术节点的mCFET器件架构进行激进面积缩放所需的性能提升措施，最小化寄生栅极电容对于A7节点至关重要，而A5和A3节点将引入带有Ω形栅极的外壁叉形结构以及M0电源轨[22] - 对于A3节点，引入分别针对p型和n型MOS优化的异质沟道对于在最终缩放的标准单元尺寸下保持性能和功率密度至关重要，eMDI模块是实现mCFET流程中异质沟道集成的关键使能技术，这已在具有不同沟道方向的nMOS和pMOS顶部器件的mCFET器件上进行了实验验证[23]