蘋果發佈M2芯片：5nm，200億晶體管_風聞

據外媒eetimes報道，台積電早前與少數幾家媒體分享了其工藝路線圖。按照他們所説，台積電將在2025年推出使用納米片晶體管的2nm工藝。而展望未來，代工廠正在評估CFET等工藝技術，以將其當作納米片的“接班人”。按照台積電業務發展副總裁 Kevin Zhang介紹，CFET是一個選擇，且目前還處於研發階段，所以他也不能提供其任何時間表。台積電的技術路線圖顯示，他們正在研究的新材料包括二硫化鎢等。Kevin Zhang則指出，這種材料提供了更好的傳導性和更節能的計算。他同時還補充説，台積電還在評估中的是碳納米管，這是一種更有效地移動電子的材料。Kevin Zhang同時指出，3 nm 將是一個長節點。在該節點上將有大量需求。而那些對計算能效有更高要求的客户可以率先轉向2nm。“3 nm和 2 nm 將重疊 [並] 並存相當長的一段時間，”Kevin Zhang説。

3nm後的晶體管選擇

近期有數家晶圓廠宣佈，其3納米或2納米邏輯芯片的量產技術將轉移陣地，從主流的鰭式場效晶體管（FinFET）製程，改以納米片（nanosheet）的晶體管架構製造。imec將於本文回顧納米片晶體管的早期發展歷程，並展望其新世代架構，包含叉型片（forksheet）與互補式場效晶體管（CFET）。

芯片產業從未為了量產而急於採用全新的晶體管架構，因為這會帶來錯綜複雜的新局面和投資成本。但在近期，象是三星、Intel、台積電和IBM等公司的公開聲明都在在顯示，我們正面臨制程技術的關鍵轉折。

自2022年或2023年起，這些半導體大廠都將從長期採用的鰭式場效晶體管（FinFET）製程中逐漸轉移，在3納米或2納米邏輯芯片的生產規劃中，導入納米片（nanosheet）形式的晶體管架構。

本文將解釋驅動此次歷史性轉折的主要因素，也會介紹不同世代的納米片架構，包含納米片、叉型片（forksheet）和互補式場效晶體管（CFET），同時針對這系列架構在CMOS微縮進程中的個別競爭優勢進行評比，並探討關鍵的製程步驟。

從FinFET轉移到納米片製程的****考量因素

為了進一步微縮CMOS邏輯元件，半導體產業投入了大量心力，持續縮減邏輯標準單元的尺寸。降低標準單元的高度是一種作法。該數值被定義為每標準單元的導線數（或軌道數）與金屬層間距的乘積。

圖一 : 邏輯標準單元佈局的示意圖：接觸式多晶硅閘極間距（contacted poly pitch；CPP）、鰭片間距（fin pitch；FP）、金屬層間距（metal pitch；MP），以及標準單元高度（cell height）。

透過減少軌道數，就能縮短標準單元的高度。就FinFET架構來説，新一代的設計是透過減少鰭片數量來實現微縮，從三鰭減至雙鰭，分別構成7.5軌和6軌的標準單元。以6軌的設計為例，指的是每個標準單元高度可容納6條金屬導線。不過如果在減少鰭片數量的同時，維持其尺寸不變，就會降低驅動電流並增加變異性。因此，為了補償這些性能損失，鰭片的構形會被拉長，最終可以實現單鰭5軌的設計。

圖二 : 為了進一步微縮標準單元，FinFET架構必須減少鰭片數量，新一代設計的鰭片構形會更長、更薄且更緊密，驅動電流會隨之降低，變異性也會增加。

然而，要想進一步改良單鰭5軌FinFET元件的驅動電流，其實極有難度，這時就輪到納米片架構登場。透過垂直堆棧多個單鰭標準單元的納米片導電通道，就能形成一條更廣的有效通道寬度。如此一來，納米片可以在相同尺寸下，提供比鰭片還要高的驅動電流，而這正是持續微縮CMOS元件的關鍵優勢。

此外，納米片架構也提供了調整通道寬度的彈性，在設計上更自由。也就是説，設計人員可以選擇不去調高驅動電流，而是進一步降低元件尺寸與電容：採用較窄的通道設計，通常可以降低層片之間的寄生電容。

納米片勝過FinFET的另一個顯著特點，就是採用「環繞閘極（gate-all-around；GAA）」結構。在此結構下，導電通道完全被包圍在高介電係數材料或金屬閘極之中，因此，閘極在縮短通道的情況下，仍能展現更佳的通道控制能力。

關鍵的製程模塊

如同過去從平面MOSFET轉移至FinFET的過渡時期，目前從FinFET轉移到納米片結構時，也要面對全新的製程整合挑戰。幸運的是，納米片可以視為FinFET的自然演變，所以很多為了優化與開發FinFET製程的模塊，都能沿用至納米片製程。這也促使業界更容易接受這套新架構。儘管如此，imec指出，FinFET與納米片製程仍有四大關鍵差異，需要特別研發創新技術。

首先，為了建構通道的輪廓，納米片結構會利用硅（Si）與硅鍺（SiGe）進行多層的磊晶成長。由於使用了不同的成長材料，還產生了相應的晶隔不匹配問題，致使傳統的CMOS製程不再適用。在採用多層架構的堆棧中，硅鍺是犧牲層，在除去替代金屬閘極（replacement metal gate；RMG）並釋出通道的步驟中會被移除。接着，整個堆棧會進行圖形化，製成高深寬比的鰭片，因此如何確保納米片的構形就是個挑戰。

imec在2017年國際電子元件會議（IEDM）上就提出了一套關鍵的優化方案，採用低熱預算的淺溝槽隔離（shallow trench isolation）製程來導入一層襯墊層（liner），結果可以有效抑制氧化誘發的鰭片變形現象。這也強化了對納米片的材形控制，進而提升元件性能，包含DC與AC效能，前者指的是增加驅動電流，後者則是在相同功率下加快開關速度。採用新型納米片製程的首個應用案例是環形振盪電路，其AC效能的升級成功反應在更短的閘極延遲上。

納米片結構與FinFET的第二個差別，是需要導入一層內襯層，也就是透過增加一層介電層來隔離閘極與源／汲極，進而降低電容。在這個製程步驟中，硅鍺層的外部會在進行橫向蝕刻後形成凹陷，隨後，這些小孔洞會以介電材料填充。而整合內襯層就是納米片製程中最複雜的步驟，對蝕刻技術要求嚴格，需要高選擇比與準確的側向控制。這項挑戰受到各地研究團隊的關注，包含imec在內都在着手解決。

第三個差異在於納米片製程包含了釋出通道的步驟，納米片在這之後會相互分離。方法是利用蝕刻移除硅鍺層，過程中需要高度選擇性，才能把少量的鍺留在納米片之間，並降低硅材的表面粗糙度。此外，為了避免這些微型化納米片相吸附着，還必須控制靜摩擦力。imec對不同的蝕刻方法進行了基礎研究，包含乾式與濕式製程，目前成果已能大力協助解決上述問題。

最後一點是替代金屬閘極的整合，包含在納米片周圍與彼此間的間隙內沉積金屬，並進行圖形化。imec在2018年指出，為了縮短納米片之間的垂直間距，導入具備功函數調變範圍的金屬材料至關重要。imec團隊也展示相關成果，把納米片的垂直間距從13nm縮短為7nm，結果AC效能提升了10%，可見微縮替代金屬閘極的重要性。

圖三 : 針對垂直堆棧的環繞閘極納米片進行優化：（左）材行控制，（右）垂直間隙縮減。

叉型片登場

要提升納米片的DC效能，最快速有效的方法是增加通道的有效寬度。然而，在一般的納米片架構下，實現這點並不容易。主要問題是，n型與p型MOSFET之間必須保留大範圍的間隙，因此，當標準單元的高度經過微縮，容納更寬的有效通道就會越來越難，而且n-p間隙在金屬圖形化時還會變小。

叉型片能夠解決n-p間隙的問題。該架構由imec提出，首次亮相是在其2017年國際電子元件會議（IEDM）發表的SRAM微縮研究，在2019年會議發表的研究中則作為邏輯標準單元的微縮解決方案。叉型片製程實現了縮短n-p間隙的目標，在閘極圖形化前，先在n型與p型元件之間導入一層介電牆，圖形化的硬光罩就能在該介電牆上進行，相較之下，納米片製程則將其置於閘極通道底部。

導入介電牆能大幅緊縮n型與p型元件之間的距離，通道的有效寬度隨之增加，同時提升驅動電流，也就是DC效能。此外，n-p間距微縮除了可以達成通道有效寬度的最大化，還能選擇用來減少標準單元的軌道數，從5軌降至4軌。這就需要開發後段與中段製程的創新技術，採用全新的微縮加速器，例如埋入式電源軌（buried power rail）與自對準閘極接點（self-aligned gate contact）。

根據模擬結果，叉型片的AC效能還有可能勝過納米片，增加10%。對此，imec團隊也提出解釋，由於閘極與汲極之間的重疊區域縮小，米勒電容或寄生電容也會降低，進而提升元件的開關速度，這也可能有助於製造出更高效節能的元件。

從製程的觀點來看，叉型片源自於納米片，是進階的改良版本，主要差異包含導入介電牆、改良內襯層與源／汲極的磊晶成長、進一步微縮替代金屬閘極。imec在2021年國際超大型集成電路技術研討會（VLSI）首度展示了以300mm納米片製程整合的場效型元件，並公開其電氣數據。其中，該元件在僅僅17nm的n-p間距內，成功整合了雙功函數的金屬閘極，顯現採用叉型片架構的最大優勢。

不過叉型片架構還有靜電力的問題。納米片最受關注的特點，就是其四面環繞的閘極架構，藉此可以大幅提升對通道的靜電控制能力，但叉型片卻似退了一步，改成三面閘極架構。儘管如此，imec在上述實驗中將納米片與叉型片共同整合在同片晶圓上，結果發現，叉型片在閘極長度為20nm的情況下，展現了可與納米片媲美的短通道控制能力（SS SAT＝66-68mV）。

圖四 : 整合於同片晶圓的納米片與叉型片之穿透式電子顯微鏡（TEM）影像。其中，叉型片的n-p間距只有17nm，併成功整合了雙功函數的金屬閘極。

納米片系列的長跑選手：CFET架構

若要實現有效通道寬度的最大化，互補式場效晶體管（Complementary FET；CFET）是個可行的架構，以垂直堆棧n型與p型元件。也就是説，n-p間距轉成垂直方向，所以不需考量標準單元的高度限制。而垂直堆棧元件後釋出的新空間除了可以進一步延伸通道寬度，還能用來縮減軌道數至4軌以下。

模擬結果顯示，CFET架構能助益未來的邏輯元件或SRAM持續微縮。其通道的構形可以是n型或p型的鰭片，或是n型或p型的納米片。最終，CFET架構會是納米片系列中最完善的架構，成為CMOS元件的最佳選擇。

圖五 : CMOS元件架構的演變流程，先後依序為FinFET、納米片、叉型片與CFET。

CFET架構因為必須垂直堆棧nMOS與pMOS，製程會更復雜。現有兩種垂直整合方案，分為單片式（monolithic）與序列式（sequential），各有優劣。對此，imec開發了相關的製程模塊與整合方案，並量化這些製程在功耗、性能和尺寸方面的各自表現，並評估其技術難度。

圖六 : 採用單片式製程的CFET元件之穿透式電子顯微鏡（TEM）影像：（左）元件頂部（右）元件底部。

單片式CFET：成本低，但垂直整合製程複雜

製造單片式CFET的第一步，就是底部通道的磊晶成長，再來是沉積中間的犧牲層，最後長成頂部通道。如果要採用納米片架構，從底部到頂部通道的製造可以選用硅材鰭片，或者硅或硅鍺的多層堆棧。

不論選擇上述何種配置，元件在垂直堆棧後就會形成超高深寬比的架構，因此在進行後續圖形化的多道步驟時，包含鰭片、閘極、內襯層與源／汲極接點，都將面臨嚴峻考驗。舉例來説，整合替代金屬閘極的步驟尤其繁複，因為n型與p型元件需要用到具備不同功函數的金屬材料。

在2020年國際超大型集成電路技術研討會（VLSI）上，imec利用優化的製程模塊，首度展示採用單片式CFET架構的整合元件。

序列式CFET：通道可混合材料，但晶圓轉移難度高

序列式CFET製程包含多個模塊。首先會先從底部向上製造元件，直至接點，接着是運用介電材料的晶圓接合技術（dielectric-to-dielectric wafer bonding），覆蓋一層未經圖形化的半導體層，最後進行頂部元件的整合，並連接上下閘極。整個過程在中段與後段製程完成。

就整合難度而言，序列式比單片式還要容易，因為其底部與頂部元件能沿用傳統的「平面結構」分別製造。序列式製程還有一大優勢，就是提供n型與p型元件整合不同通道材料的彈性，進而提升元件性能。例如，nMOS採用硅材，pMOS採用硅鍺或鍺，甚至是導入二硫化鎢（WS2）等二維材料。

然而，這些全新制程也帶來了一些特定挑戰，需要各自開發。第一個挑戰與晶圓之間的接合有關，也就是介電材料氧化層的厚度。如果設計得太厚，AC效能就會下降，這也與imec在2020年國際超大型集成電路技術研討會（VLSI）上的展示成果相符。相反地，氧化層若是太薄，就可能會造成接合缺陷，產生更多的孔洞。imec權衡兩種作法，已經針對薄型氧化層開發了一套零孔洞的接合製程。

第二個問題是採用晶圓轉移製程時必須考量的熱預算限制。頂部元件製程的温度必須降到500℃左右，避免損及底部元件。然而，某些製程步驟因為考量到閘極堆棧的可靠性以及活化摻雜物所需，温度必須達到900℃。imec近期提出了一些解決方案來滿足兩者需求。

首先，imec團隊開發了兩套新方法，能在低温環境下確保閘極堆棧的可靠度。一方面，利用低温氫電漿製程，把位於硅氧化物介電質層的缺陷鈍化，另一方面，在硅通道與二氧化鉿閘極之間導入界面偶極，以抵銷介電材料缺陷狀態與電子導帶之間的能量差距。此外，imec也研發了一套創新的磊晶成長製程，能在低温狀態下高度活化nMOS與pMOS元件的摻雜物。

不論是單片式或序列式CFET，imec將會持續研究優化的整合模塊與製程，提供業界最佳的解決方案。

本文列舉了納米片系列架構的競爭優勢與技術挑戰，以期延續CMOS邏輯元件的微縮進程。每個新世代架構，包含納米片、叉型片與CFET，皆各有所長，有的透過優化通道的有效寬度來提升性能，有的進一步微縮標準單元的高度，有的兩者皆然。就製程發展來看，從FinFET轉移到納米片架構是漸進演變的結果，但不同的納米片架構必須面對不同的整合挑戰，imec也會持續探索並評估解決方案。

來源：內容來自導體行業觀察（ID：icbank）綜合，謝謝。