3nm后，芯片该何去何从？_风闻

在之前召开的IEDM年度会议上，总共进行了六次小组讨论式的演讲。其中，由IMEC Technology Solutions and Enablement的高级副总裁Myung‐Hee Na先生做的一个题为《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的演讲最有意思。本篇开始将逐个回顾演讲内容，由于演讲内容有不充分的地方，笔者为了读者易于理解，适当地补充了演讲内容。

需要说明的是，虽然这是一个说明未来CMOS逻辑技术的讲座，但当中却省略了数个基本的前提：

**第一，以MOSFET（MOS晶体管）的结构为前提。**在28纳米一一22纳米的世代，芯片晶体管采用的是传统的平面结构MOS晶体管技术，因此很难继续微缩化。到了16/14纳米及以后的技术节点时代，以FinFET为代表的立体结构的MOS晶体管成为了基础前提。

**第二，是支配CMOS逻辑性能的主要原因。**之前，能否提升MOS晶体管性能（缩短延迟时间、增加ON电流）关系着CMOS逻辑的性能。但是，就大型、高速CMOS逻辑而言，无法忽视金属排线引起的时间延误（且越来越大）。对16/14纳米世代以后的技术节点而言，缩短排线引起的时间延误（或者不延长）对CMOS逻辑的性能提升极其重要。

2025年前的CMOS技术蓝图

在演讲之初，Myung‐Hee Na先生首先展示了CMOS逻辑生产技术的微缩化技术蓝图。时间轴（横轴）范围为2011年一一2025年。纵轴为用对数表示的单位生产成本（美元单元）下晶体管数量，以2为底数。在2019年的7纳米技术之前，几乎都保持一定比率，从中也可以看出单位生产本下晶体管数量呈增长趋势。

CMOS逻辑的微缩化技术节点、晶体管的生产成本（以美元为单位下的晶体管数量、以2为底数）推移。

以上技术蓝图详细地说明了MOS晶体管技术的变迁。在28纳米技术世代，平面型MOS晶体管导入了HKMG（High-K Metal Gate，高介电常数金属闸极）技术。16/14纳米技术节点下，晶体管走向3D化，成为了FinFET。后来，FinFET持续了一段时间。

7纳米技术到5纳米技术器件，光刻技术发生了巨大的变化。不采用以往的ArF激光浸没式光刻，而是导入了EUV（Extreme Ultraviolet，极紫外光刻）光刻技术。此外，将钴（Co）金属应用于MOL（middle of the line）的排线材料也开始被厂商引入。

4纳米以后的技术则属于未来。据预测，从4纳米技术到3纳米技术，晶体管将不再采用FinFET,而是纳米结构的MOS晶体管。3纳米以后的晶体管技术，即1.5纳米技术、1.0纳米技术后补将会在下一节进行说明。

就此技术蓝图而言，我们应该关注的是时间轴下面的内容。28纳米技术到20纳米技术之间的演进。在这个阶段，支持微缩化（提高晶体管密度）的手段主要是利用光刻技术使排线和晶体管的节距（Pitch）缩小。但是，20纳米以后，节距无法再缩短。于是，通过下调CMOS逻辑的基本单元（Standard Cell）的高度（按照最下层排线的数量来计算），与之前一样提高了密度。但是，越来越难下调基本单元的高度。据预测，未来，会研发使副系统、线路逻辑实现微缩化的技术。

资料显示，在28纳米之前，通过缩短MOSFET栅极长度（Gate， Chanel 长度）和排线节距，逻辑的基本单元（Standard Cell）面积几乎是每世代缩小一半，但是，22纳米世代以后，栅极长度却很难像以往一样缩短了。短栅极效果使MOSFET的阈值电压不均匀，最终导致无法缩短栅极长度。

因此，16/14纳米世代之后开始使MOSFET的栅极3D化，在不缩短栅极长度的情况下，缩小MOSFET的尺寸（硅基板表面和平行方向的尺寸）。此处立体栅极的代表就是FinFET。通过缩小作为栅极的Fin的节距，继续实现微缩化。但是，与传统的平面型MOSFET相比，尺寸缩小的比例变小了。这样下去，就无法使基本单元的面积缩小一半。

于是，通过降低基本单元的高度（Cell Height），使基本单元的面积缩短至上一代的一半。基本单元的高度由与Fin保持同样方向（水平方向）的最下层金属排线（M0或者M1）的数量（Track数量）决定。比方说，10 Track（10T）的意思是一个基本单元上有10根金属排线。如果在减少Track数量的同时，缩短节距，就可以大幅度降低基本单元的高度。在16/14纳米到5纳米的世代中，降低了基本单元的高度，这对缩小基本单元面积、即提高CMOS逻辑晶体管密度发挥了巨大作用。

但是，必须将排线的数量确保在某个范围内。金属排线由电源/接地线、信号线构成。都对CMOS逻辑的基本单元极其重要。

通过内埋电源/接地线，进一步减少排线的数量

Myung‐Hee Na先生的演讲中提到，很难将基本单元的Track数量从6T（Track）降至更低。下图的基本单元是CMOS Inverter线路。在论述缩小基本单元的时候，一般会处理晶体管数量最小的理论栅极一一Inverter（理论反转）。

下图是imec的技术蓝图（相当于5纳米节点的基本单元）。Fin数量如下，2个p 型FinFET 和n型FinFET。单元高度为6T。如果想要进一步减少Track数量，就存在以下问题：难以使电源/接地线的宽度变得更细（原因是无法提高电阻）、难以缩小FinFET的尺寸、难以缩小p型FinFET和n型FinFET的距离（为了确保元件分离）。

CMOS逻辑基本单元的断面构造图（FinFET的Fin和最下层金属排线直接交叉方向的断面图）。单元的高度为6Track（6T）。为了进一步提高CMOS逻辑的密度，要想减少Track的数量，存在多个问题。

解决以上问题的有效办法是将电源/接地线埋入基板，即BPR（Buried Power Rails）。利用BPR方法，可将Track数量减少至5T，此外，可以将信号排线数量保持为4T。采用了BPR方法的5T单元，被imec定义为3纳米节点技术的后补。

将单元的高度下调至5T的CMOS逻辑的基本单元的断面构造图（FinFET的Fin和最下层的金属排线直接相交方向的断面图）。将电源排线和接地排线埋入基板（BPR）。

由于可以提高BPR下的电源/接地线的纵横比，因此，也容易降低电阻。但是，FinFET的Fin数量减少为了一个，与6T 单元相比，晶体管（FinFET）的电流驱动能力（以栅极为单位）会下降。晶体管的密度虽然得以提高，但很可能需要在防止性能下滑方面下功夫。

Myung‐Hee Na先生的演讲中提到，通过采用BPR（Buried Power Rails，将电源/接地排线埋入基板的技术）技术和减少FinFET的Fin数量，实现了5T的基本单元。基本单元的断面构造如上文所示。

导入了BPR之后，基本单元的构造将比之前更复杂，这是因为需要从晶体管上面排列的电源/接地线网络（PDN：Power Delivery Network）向BPR供给电源。具体而言，为了将PDN的排线网络和BPR结合，需要具有以下结构：在垂直方向形成连接导孔（Via）、电极层等的细长柱状结构。在形成此种结构的工艺中，增加了晶体管的制造工艺（FEOL）。此外，也增加了基本单元的硅面积。

采用了BPR（BPR：Buried Power Rails，将电源/接地线埋入基板的技术）技术的CMOS逻辑基本单元的断面结构。需要向BPR供给电源（白色箭头部分）。

因此，不需要验证BPR对基本单元造成的影响，而需要验证对线路模块的影响。实际上，对6T的线路模块和5T的线路模块分别进行了验证。6T是FinFET的基本单元，5T是Nano-sheet（NS）FET和BPR的基本单元。

通过导入BPR，电源/接地排线引起的电压下滑约为40%，与之前相比下降幅度大幅度降低了。BPR情况下，即使排线较细，也可以保证高度，因此，很容易使排线的断面积做的较大。即，可以降低电阻。BPR带来的低电阻大大地缓解了电压下降的问题（即有利于电源电压的稳定）。

此外，通过优化供给电源的排线网络（PDN），线路模组的硅面积大约减少了14%（排除以下：通过缩小晶体管、减少线路的Track数量，削减硅晶圆面积）。

利用线路模块验证了BPR的结果，左边是比较了线路模块的大小和温度分布。就采用了BPR的5T（Track）单元的线路模块而言，温度高的部分（Warm）在逐渐变小。右边是比较了电压下降（IR Drop）的累计分布图。在导入了BPR的5T单元的线路模块中，电压的下降幅度约减少了40%，与之前相比下降幅度大幅度降低了。

我们必须再强调一下，BPR是有希望的后补选项，通过导入BPR，能够有效控制电源电压的下降。此次，在说明BPR复杂结构的缩略语的同时，介绍一些金属材料的备选项。

BPR结构的CMOS基本单元具有非常复杂的构造。

导入了埋入式电源/接地线（BPR）的CMOS基本单元的结构和主要的缩略语，此图引用自小组演讲《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的幻灯片，右图的缩略语是笔者从imec的学术论文中摘选的。

一般情况下，金属排线使用铜（Cu）作为材料。但是，內埋式电源/接地线（BPR）很难使用铜（Cu）。这是因为需要一道蚀刻排线层的工艺。于是，在BPR结构下，钨（W）、钌（Ru）、钴（Co）等金属材料是备选项。

对于內埋式电源/接地线（BPR）的排线结构而言，比较各种金属。左边是比较了BPR材料特性，右边是M0A、BPR的材料、BPR的高度（深度）情况下的不同电阻。

作为BPR材料，比较了钨（W）、钌（Ru），单位长度下，Ru的电阻较低，但是，钌（Ru）有污染（Contamination）的风险，另一方面，就VBPR和M0A而言，钌（Ru）和钴（Co）的电阻更低。与钨相比，作为阻挡金属（Barrier Metal，氮化钛TiN，电阻较高），钌和钴可以将厚度做的更薄。

BPR的构造（左）和BPR的电阻（中间）、VBPR的电阻（右）。

可以看出，可将钨用做BPR的材料，钌用作VBPR和M0A的材料。钨可以确保通过提高纵横比，来降低电阻。钌具有使阻挡金属变薄的特性。此外，钌也可用于不需要阻挡金属的VBPR，有望用于2纳米。

3纳米后，电源电压是一大课题

就3纳米世代以后的CMOS逻辑而言，缩小基本单元的有效方法是将电源/接地排线埋入基板内的BPR技术，上文已经论述。在电源系统中，基本单元的电源/接地排线位于最末端。其上端为有电源供给网络（PDN：Power Delivery Network），是用于给大量的基本单元供给电源的。

通常，PDN分割多层金属排线的一部分。通常，PDN在硅芯片（Silicon Die）的表面（FS：Front Side），这种排线方式被称为“FS-PDN”。

在导入BPR之前，包含各个基本单元的电源/接地排线的PDN位于硅芯片的表面。为了缩小基本单元，导入了内埋了基本单元的电源/接地排线的BPR。于是，就需要一个从FS-PDN向BPR垂直供给电源的电极排线（VBPR：Via to BPR）。

从削减硅面积的观点来看，VBPR的存在是不被希望看到的。于是，通过将PDN配置于硅芯片的背面，来削减VBPR。这被称为“BS-PDN”。BS-PDN”和BPR之间由细微的TSV（硅通孔）连接。

电源供给排线网（PDN：Power Delivery Network）的分布图，左上角（a）为传统的布局。所有的电源排线都包含在多层金属排线层内。左下角（b）为将BPR（內埋式电源/接地排线）导入到基本单元的布局。右边（c），在导入BPR的同时，将PDN配置于硅芯片的背面。

制造BPR和背面的电源供给网（PDN）的工艺极其复杂。利用细微的TSV（uTSV或者nTSV）将BPR和BS-PDN连接的同时，还需要一道在硅晶圆背面形成金属排线的工艺。

利用了细微的TSV（nano-TSV，nTSV）的背面排线和表面排线的连接事例。左边为一般的连接结构。右边为用nTSV将背面排线（电源供给排线网，PDN）和內埋式电源线（BPR）连接的结构。

比方说，将具有了BPR的硅晶圆（1st wafer）与其他硅晶圆（2nd wafer）贴合，然后研磨1st硅晶圆，在经过蚀刻，使厚度为10um左右。

在硅芯片背面制造电源供给排线网（PDN）的工艺（前半部分）。

然后，形成连接了BPR的nTSV。nTSV的内埋金属是铜（Cu）。形成nTSV后，通过单边镶嵌工艺（Single Damascene），生产铜排线层的BS-PDN。

在背面生产电源供给排线网（BS-PDN）的工艺（前半部分）。

此外，还评价了CMOS逻辑的基本单元（Standard Cell）的BPR & BS-PDN的效果。以6T（Track）的基本单元（没有BPR， FC-PDN）为基准的情况下，导入了BPR的5T（Track）的基本单元（FS-PDN）的线路模块的面积减少了19%，电源电压下降值从45mV减少为35mV。此处，追加BS-PDN的话，线路模块的面积虽然不变化，电源电压下降值更低，为25mV。与6T单元相比，可将电源电压的变化控制为45%。

BPR和BS-PDN的效果。左边是线路模组（Core）的面积和电源电压下降的关系。右边是线路模组的温度分布（反应IR Drop的大小）。

3nm后，FinFET到达极限

正如我们之前说明的一样，就以FinFET为晶体管的CMOS逻辑而言，在缩小Fin的节距的同时，将Fin抬高，通过减少与Fin平行的的最下层的金属排线的数量（Track数量），来缩小基本单元（Standard Cell）。比方说，就7.5Track的基本单元而言，通过Fin的2个p型FinFER和n型FinFET，构成CMOS Inverter。就下一代而言，在保持Fin的数量的同时，通过将Track数减少为6个，来缩小基本单元的面积。

此外，就下一代而言，预计会将Track数量减少为5个的同时，Fin的数量减少为一个，从而缩小基本单元的面积。减少Fin的数量是为了保持p型FinFET和n型FinFET之间的距离（是能够分割元件的距离）。

此处存在的问题是每一代产品对FinFET的规格要求都在变化，同时，在变得越来越严格。减少Fin的数量会导致FinFET的电流驱动能力变弱。为不使电流驱动变弱，必须要提高单个FinFET的的电流驱动能力。此外，如果使Fin做得更薄、减少节距，加工尺寸、异物浓度等带来的问题影响将会更大。

采用了FinFET的CMOS基本单元（Standard Cell）的微缩化和其存在的问题。

可以想到的解决方案是将FinFET的Fin由垂直改为平放的Chanel 结构（Nano结构）晶体管。被称为“Nano-sheet FET”、“Nano-ribbon FET”。Fin的结构如下：Fin的侧面有2个栅极（Gate）、顶点有一个栅极（Gate），合计为三个（Tri-gate）；而Nano-sheet结构的优势如下：上面两个栅极、下面两个栅极，合计四个（Gate-All-Around）。在控制短Chanel效果的同时，由于Chanel的宽度变宽，所以电流驱动能力得以提高。

此外，与Fin结构相比，Nano-sheet结构的晶体管的性能差异更小，且由一片薄薄的Sheet的厚度决定晶体管的电流驱动能力。在半导体生产工艺中，厚度（垂直方向的尺寸）由原子层单位控制。Fin的厚度（横向尺寸）是通过光刻技术加工的，加工尺寸的偏差无法做到某个值（比原子层更长的距离）以下。

从FinFET到Nano-sheet的转换和Nano-sheet的优势。

另一个重要的方面是布局（Layout）自由度的增加。就FinFET而言，Fin的数量由横向尺寸决定。由于Fin的数量是自然数，因此横向的尺寸是离散决定的。就Nano-sheet FET而言，由于是垂直堆叠sheet，因此，可以连续地改变横向的尺寸。

为了通过FinFET来缩小CMOS的基本单元（Standard Cell），需要采用以下方法：减小Fin的节距、减少Fin的数量、使Fin做得更薄、抬高Fin。于是，FinFET的每个Fin的电流驱动能力虽然得以提高，却又需要缩小每个Fin之间的差异。这个问题和微缩化一样，很难处理。

此处考虑到的方案是将FinFET横向放置的Chanel结构（Nano-sheet 结构）晶体管。

Nano-sheet 结构的晶体管（或者称为“Nano-sheet Transistor”）或者“NSH Transistor”的优势是：电流驱动能力较高，偏差小。但是，imec似乎对于Nano-sheet 结构的开发并不是十分积极。主要理由如下：对于晶体管之间的分离元件而言，Nano-sheet 结构需要与FinFET一样的距离。

从FinFET到Nano-sheet构造、Fork-sheet构造的变化。

Imec主推的是被称为“Fork-sheet构造”的Chanel构造的晶体管（也被称为“Fork-sheet Transistor”或者“FSH Transistor”）。通过以Nano-sheet构造为基础进行重要的改良后，晶体管间的距离似乎缩小了。对于2纳米以后的世代而言，Fork-sheet构造是晶体管技术的有力备选项。

就Fork-sheet构造而言，绝缘膜的薄壁位于中间，p型Nano-sheet和n型Nano-sheet成对。栅极金属的断面结构与作为餐具的叉子形状类似，因此被称为“Fork-sheet”。

就Fork-sheet构造而言，相邻的Chanel和栅极金属在物理上是分离的。因此，相邻的晶体管之间的距离已经缩小至极限。即，CMOS逻辑的基本单元可以缩小。

Fork-sheet构造，嵌入将p型和n型的晶体管的模式图。

此外，与Nano-sheet相比，Fork-sheet构造具有寄生容量较小的优势。在消耗同样电力的情况下，与Nano-sheet构造相比，Fork-sheet构造的晶体管可以更高速地工作。反过来说，在同样工作频率的情况下，Fork-sheet构造比Nano-sheet耗费的电力更少。从imec在国际学会IEDM 2019上发布的论文（论文编号：36.5）来看，用CMOS Inverter的15段 Ring振荡器比较后发现，Fork-sheet构造的工作频率（以同样的功耗来比较）提高了10%，功耗（以同样的工作频率来比较）减少了24%。

Fork-sheet晶体管成为候补的理由

我们已经在上文叙述过使基本单元微缩化的有效办法，即减少与Chanel方向（细长的Active区域）平行的最下层的金属排线数量（Track数量，T）。通过减少Track数量，缩短基本单元的高度（CH: Cell Height）。但是，这种办法在6T的时候达到极限，据预测，可以采用将电源/接地线埋入基板内的BPR（Buried Power Rail）方法实现5T。

CMOS逻辑基本单元的架构和各部分的尺寸。左边淡蓝色为最下层的金属排线，垂直延伸的红色部分为栅极金属、水平延伸的绿色部分为Active区域。

就此处规定基本单元（CMOS Inverter）的高度的定义而言，如下，从Active区域到基本单元区域的距离为“AB（Active to Boundary）”、Active区域的高度为“A（Active）”、分割p型晶体管和n型晶体管的距离为“PN（p to n）”。

接下来，按照CMOS逻辑技术的节点，来逐个讨论基本单元各部分高度（CH）的尺寸。在14纳米（N14）、10纳米（N10），40%（甚至更多）的CH由“A”占据，“PN”、“AB”分别各占三成（甚至更低）。在7纳米（N7），“A”的比例减少至三成，“PN”、“AB”分别增加至三成多。早接下来的5纳米（N5），“PN”的比例进一步增加，增至四成，另一方面，“AB”的占比减少至2.5成，而“A”的占比反而增加至3.5成。

各部分在基本单元高度（CH）中的占比和技术节点（N）的推移。

3纳米以后，由于导入了BPR技术，“AB”的比例达到五成以上，为最大值。这一比例没有什么变化。“A”的比例大幅度减少至一成，另一方面，“PN”占比为3.5成左右，也比较高。N5以后，“PN”虽然变得较短，但是却是微缩化的关键。

从以上可以看出，能够缩短“PN”的“Fork-sheet构造”比“Nano-sheet构造”更有优势。这也是imec的观点。

我们也应该认识到，Fork-sheet构造具有单元布局自由的优势。这是因为可以控制“PN”、“A”。在演讲中，提到了使寄生容量最小化的布局、使电流驱动能力最大化的布局、使单元面积最小化的布局。

就将寄生容量最小化的布局而言，Active区域不是很宽、且适当地确保了晶体管间的距离。就使电流驱动能力最大化的布局而言，在扩大Active区域的同时，缩小了晶体管间的距离。就使单元面积最小化的布局而言，Active区域较细、缩小了晶体管间的距离。单元的高度控制为4.4T。

Fork-sheet构造，优化了基本单元布局的事例。左边为寄生容量最小的布局、中间为提高了电流驱动能力的布局、右边为单元面积最小化的布局。即图中的“M0A”为“Contact-to-Active, Active Trench Contact（与Active层相连接的接触金属层）”、“MINT”为“水平放下的最下层金属排线（一般相当于M1）”、“BPR”为“Buried Power Rail（埋入式电源/接地线）”。

接下来，我们在叙述Fork-sheet构造的CMOS逻辑的生产工艺的同时，也会公布用电子显微镜和荧光X线观察的晶体管的断面图（试作品）的图像。

构成Fork-sheet（FSH）构造的CMOS逻辑的一对晶体管的断面构造图。左边的构造图（a）是在栅极电极处的断面。这对晶体管的左边是p型，右边是n型。右边的构造图（b）是Active区域的断面（Source/Drain区域）。用绝缘膜壁用电和物理特性使晶体管分开。

这一对Fork-sheet构造的晶体管（一对p型和n型）具有非常复杂的结构，乍一看，很难想象是以何种工艺制成的。

以Nano-sheet的生产工艺为基础，针对Fork-sheet，追加和变更了一部分。

根据Myung‐Hee Na先生的演讲，Fork-sheet构造的生产工艺是Nano-sheet构造生产工艺的基础。不仅在Fork-sheet构造中追加了特殊的工艺，还针对Fork-sheet进行了部分工程变更。

最大的差别是增加了形成绝缘膜壁的工艺（Step）。此外，将形成内部Spacer的工艺和Active（Source、Drain）层的外延生产工艺、形成RMG（Replacement Metal Gate）的工艺全部改为了针对Fork-sheet构造。其他工艺与Nano-sheet构造的晶体管工艺基本相同。

Fork-sheet构造晶体管的生产工艺流程

再稍微具体一些说明，首先加工Nano-sheet压层形状的模板，形成浅槽分离层（STI：Shallow Trench Isolation），通过CMP（Chemical Mechanical Polishing）达到平坦效果。接下来，实施埋入式电源/接地排线（BPR: Buried Power Rail）的蚀刻和成膜工艺（此处的BPR工艺是选择性的）。然后，使Nano-sheet的压层结构曝光，形成用于Fork-sheet的垂直绝缘膜（绝缘膜壁）。

然后，进行以下工艺：加工栅极的线路（Pattern）、形成Spacer、Fin的Recess、内部Spacer、Source/Drain的外延生长、形成层间绝缘膜（ILD）和CMP、形成RMG、栅极的Recess和Cut、形成栅极的Plug、Metallization。

在演讲中，Myung‐Hee Na还展示了用电子显微镜和荧光X线分光设备观测的Fork-sheet构造的试作品（是按照以上工艺进行试做的）的图像。由绝缘膜壁分割的一对晶体管的距离为17纳米。可以看出，栅极绝缘膜和栅极金属膜很整齐地融入在压层薄片（Sheet）里。

试做的Fork-sheet构造的断面图像，左边为用透射电子显微镜观察的图像。右侧为用能量分散型荧光X线分光设备（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectrometer）拍摄的Mapping 图像。

就理论线路单元而言，与FinFET相比，Fork-sheet构造的CMOS逻辑的布局（Layout）自由度更高。具体而言，FinFET的CMOS Inverter的连接Track（水平方向的最下层的金属排线）和栅极的连接位置是受限的。无法使中间的2个Track连接。但是，如果是Fork-sheet构造，可以使中间的2个Track连接。

CMOS基本单元（Inverter）的布局（Layout）和栅极连接（Gate Connect）的布局（Layout）。上部（a）的晶体管是FinFET。水平方向有4个Track，但中间的2个Track无法做到栅极连接。中间的（b）和下面的（c）的晶体管是Fork-sheet构造。所有的Track都可以与栅极连接。

接下来，比较一下D类Flip Flop（D-FF）的理论线路单元。同样高度的单元，Contact Gate Pitch（CPP 或者“CGP”）数量会不同。Nano-sheet（NSH）构造为11Pitch，FinFET为10 Pitch，Fork-sheet（FSH）构造为9 Pitch。与NSH构造相比，FSH构造的D-FF的单元面积小了20%左右。

比较了在Nano-sheet构造和Fork-sheet构造下的SRAM的单元面积。左边为高性能的SRAM的单元。右边为高密度的SRAM的单元。

2nm后的晶体管选择

FinFET的“下一代的下一代”技术指的是Nano-sheet构造和Fork-sheet构造的下一代。Nano-sheet构造和Fork-sheet构造被认定为属于同一时代的技术（FinFET的下一代）。虽然Nano-sheet构造和Fork-sheet构造比较类似，但是晶体管构造有很大的不同。Nano-sheet构造是晶体管的单独构造，Fork-sheet构造是以CMOS 逻辑为前提的。

可以说，将两个晶体管进行高密度融合并生产出来，才是Fork-sheet构造。

imec所考虑的晶体管的技术蓝图。从FinFET到Nano-sheet、Fork-sheet的各代技术。平面（2D）构造的晶体管已经达到极限，因此新一代的3D（压层）构造的CFET（Complementary FET）是有希望的备选项。

FinFET的“下一代的下一代”的晶体管的前提与Fork-sheet构造相同一样、即CMOS逻辑。Fork-sheet构造的特点为“PN距离（为分离p Chanel 和n Chanel的晶体管的距离）较短”，且这一特点还在被改善。

具体而言，在p Chanel晶体管的FET上重合n Chanel的FET。硅面积就减少为一个晶体管的分量，理论上密度会提高。此外，由于“PN 距离”的进一步缩短，理论上CMOS 逻辑的工作速度会提高。这种晶体管的结构被称为“互补型FET（C FET，C=Complementary）”。

CFET的想法比较简单。由平面型的p Chanel MOSFET和n Chanel MOSFET构成的CMOS Inverter共同拥有细长的栅极电极。以栅极电极的中线为中心线，折叠两个晶体管。在p Chanel FET的上面重合n Chanel FET的3D压层结构的晶体管会是一对（两个）。

之所以把p Chanel FET放在下面是因为标准的生产工艺顺序，即首先生产p Chanel，然后生产n Chanel。理论上来讲，把n Chanel FET放在下面也可以制成CFET。

“互补型FET（C FET，C=Complementary）”，S为Source、D为Drain、G为Gate

如果要再次描述一下CFET的特点的话，首先一点就是缩小CMOS基板单元。与以往的晶体管线路相比，硅晶圆面积减少了约一半。可以用接近一个晶体管的硅面积制作由两个晶体管构成的CMOS元件，此外，p Chanel的材料和n Chanel的材料是可以分别选择的。

“互补型FET（C FET，C=Complementary）”的特点、用电子显微镜观察的试做的晶体管的断面结构图像。

在2纳米世代技术以后，CFET会成为CMOS 逻辑的有力备选项。在1.5纳米世代、1.0纳米世代，CFET将会是必选项。

就CMOS基本单元（Inverter）的布局（Layout）而言，是多个Chanel处于水平方向。与Chanel平行布局的最下层的金属排线数量（Track：T）决定着单元的高度（CH）。金属排线数量的减少直接关系着单元高度的降低。

最初，是通过CMOS基本单元（把晶体管技术当做FinFET）来减少Track 数量（T）的。7.5T和6T都是在FinFET的情况下减少了Track数量。但是，5T情况下就很难用传统技术来降低单元的高度了。首先考虑到的是保持FinFET不变，然后采用BPR（Buried Power Rail，将金属排线的电源/接地线埋入基板）方法。实际效果如下：减少了两根金属排线。

5纳米世代以后的晶体管技术（断面构造图）的选项。上面三个是FinFET，下面自左开始为Nano-sheet FET、Fork-sheet FET、 CFET。

通过融合BPR和FinFET，5T Fin的数量是每个晶体管一张，但是晶体管的性能有可能会下降。于是，通过将晶体管从FinFET改为Nano-sheet构造和Fork-sheet构造，与FinFET相比，晶体管的性能得以提升，同时，晶体管的密度也易于提高了。高度为5T的CMOS的基本单元有Fin FET、Nano-sheet、Fork-sheet三个选项，且是混合存在的。

但是，就4T以后的Low Profile而言，如果采用将p Chanel FET 和n Chanel FET放在硅表面的CMOS元件的话，比较困难。引进将p Chanel FET 和n Chanel FET垂直堆叠在硅表面的CFET（Complementary FET），是业界所希望的。

imec认为，可以通过导入CFET，使CMOS的基本单元的高度降低至4T或者3T。比方说，可以将与6T的2Fin型FinFET具有同样功能的理论单元（AOI，AND-OR-INVERT ）211 Cell和DFQD1 Cell（ Flip Flop）布局为3T（是CFET的一半）。

FinFET 的理论线路单元（6T）、CFET的理论线路单元（3T）。运用CFET，可以将理论线路单元的高度缩短为FinFET的一半。

此外，就拿3纳米世代的Arm 处理器来讲，与5T Nano-sheet构造相比，4T的CFET的核（Core）面积会减少13.3%。此外，采用CFET，可以全部使最下层的金属排线（M0）相互连接（Routing），因此，可以将与M0直接相交的第一层金属排线（M1）分配为输入、输出的Pin或者相互连接等。如果灵活运用这一优势，优化金属排线工序（BEOL），预计可以进一步将核（Core）的面积减少7%。

总而言之，在3nm之后，芯片产业将迎来巨大变革！

Arm 处理器核的硅面积比较值（相对值）。与5T的Nano-sheet构造相比，4T的CFET的核（Core）的面积减少了13%（左边）。此外，CFET情况下，第一层金属排线（M1）的Routing还有余地（右边），因此通过优化金属排线工艺（BEOL），可以进一步减少核（Core）的面积。