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            3D 堆疊 CMOS 將摩爾定律推向新高度

            發布時間:2022/8/13 | 54 次閱讀

            本文編譯自IEEE,作者為英特爾組件研究小組的研究員兼器件與集成副總裁Jack Kavalieros以及英特爾組件研究小組首席工程師Marko Radosavljevic


            在本文中,英特爾詳細介紹了其最新的RobbinFET技術,以及更多關于3D堆疊CMOS的技術前景,以下為文章詳情。


            在過去的 50 年中,影響最深遠的技術成就或許就是芯片的進步,不斷朝向更小的晶體管穩步邁進,它們更緊密的結合,并且以更低功耗運行。然而,自從 20 多年前我們兩人在英特爾開始了我們的職業生涯以來,我們就一直在聽到警報,即更小的縮微即將結束。然而,年復一年,出色的新創新繼續推動半導體行業進一步發展。


            在此過程中,我們的工程師不得不改變晶體管的架構,因為我們在提高性能的同時繼續縮小面積和功耗。從 20 世紀下半葉一直到21世紀初,“平面”晶體管一直是市場的絕對主流,而在 2010 年代,開始讓位于FinFET?,F在,一種新的環柵結構 (GAA) 即將投入生產。但我們必須看得更遠,因為即使是這種新的晶體管架構(我們稱之為 RibbonFET),其縮小尺寸的能力也有局限性。


            未來的擴展在哪兒?我們將繼續關注第三維度空間。我們已經創建了相互堆疊的實驗器件,邏輯縮小了 30% 到 50%。至關重要的是,頂部和底部器件是兩種互補類型,NMOS 和 PMOS,它們是過去幾十年所有邏輯電路的基礎。我們相信這種 3D 堆疊互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 或 CFET(互補場效應晶體管)將是將摩爾定律延伸到下一個十年的關鍵。


            晶體管的演變


            持續創新是摩爾定律的重要基礎,但每次改進都需要權衡取舍。要了解這些權衡以及它們如何不可避免地將我們引向 3D 堆疊 CMOS,您需要一些有關晶體管操作的背景知識。


            每個MOSFET都具有相同的基本部件:柵極疊層、溝道區、源極和漏極。源極和漏極經過化學摻雜,使它們要么富含電子(n 型),要么富含空穴(p 型)。溝道區具有與源極和漏極相反的摻雜。


            在 2011 年之前,用于先進微處理器的平面晶體管結構中,MOSFET 的柵極堆疊位于溝道區正上方,旨在將電場投射到溝道區。向柵極(相對于源極)施加足夠大的電壓會在溝道區域中形成一層移動電荷載流子,從而允許電流在源極和漏極之間流動。


            當我們縮小平面晶體管時,器件物理學家稱之為短溝道效應的麻煩成為了主要關注點?;旧?,源極和漏極之間的距離變得非常之小,因為柵電極難以耗盡電荷載流子的溝道,以至于電流會在不應該的情況下通過溝道發生泄漏。為了解決這個問題,業界轉向了一種完全不同的晶體管架構,稱為 FinFET。它將柵極包裹在具有三個側面的溝道周圍,以提供更好的靜電控制。

            對 3D 堆疊 CMOS 進行所有需要的連接是一項挑戰。需要從設備堆棧下方進行電源連接。在此設計中,NMOS 器件 [頂部] 和 PMOS 器件 [底部] 具有單獨的源極/漏極觸點,但兩個器件都有一個共同的柵極。


            新的自對準 CMOS 工藝及其創建的 3D 堆疊 CMOS 運行良好,似乎有很大的進一步小型化空間。在這個早期階段,這是非常令人鼓舞的。柵極長度為 75 nm 的器件展示了低漏電流和出色的器件可擴展性和高導通電流。另一個有希望的跡象是:我們已經制造出兩組堆疊器件,他們之間的最小距離僅為55 nm。雖然我們獲得的器件性能結果本身并沒有記錄,但它們確實可以與構建在相同晶片上且具有相同處理的單個非堆疊控制器件相提并論。


            在工藝集成和實驗工作的同時,我們正在進行許多理論、模擬和設計研究,以期深入了解如何最好地使用 3D CMOS。我們發現了晶體管設計中的一些關鍵考慮因素。值得注意的是,我們現在知道我們需要優化 NMOS 和 PMOS 之間的垂直間距——如果太短會增加寄生電容,如果太長會增加兩個器件之間互連的電阻。任何一種極端都會導致電路過慢,或者消耗更多功率。


            此外,還有很多有趣的研究。例如東京電子(TEL)美國研究中心在 IEDM 2021 上提出的一項研究,專注于在 3D CMOS 的有限空間內提供所有必要的互連,并且不會顯著增加邏輯單元的面積。TEL 研究表明,在尋找最佳互連選項方面存在許多創新機會。該研究還強調,3D 堆疊 CMOS 將需要在器件上方和下方都有互連。這種稱為埋入式電源軌的方案采用為邏輯單元供電但不承載數據的互連,并將它們移至晶體管下方的硅片上。英特爾的 PowerVIA 技術正是這樣做的,計劃于 2024 年推出,也將在CMOS 3D 堆疊上發揮關鍵作用。


            摩爾定律的未來


            借助 RibbonFET 和 3D堆疊CMOS,我們將摩爾定律延伸到2024 年之后。在 2005 年戈登.摩爾先生接受的一次采訪中,他表示“一路走來,我很多次都認為摩爾定律已經走到了盡頭,但令我驚訝的是,我們頗具創意的工程師總能夠一次次地把問題解決?!?/p>


            隨著向 FinFET 的轉移、隨之而來的優化,以及現在 RibbonFET 和最終 3D 堆疊 CMOS 的發展,以及圍繞它們的無數封裝技術改進的支持,我們認為摩爾先生會再次感到驚訝。


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