imec顛覆晶體管設計！新技術可用于0.7納米，劍指CFET過渡
2025-06-19 18:27:07 EETOP2017 年，imec 推出叉片晶體管作為全環繞柵極（GAA）晶體管的自然延伸。然而，根據 imec 在 2025 年 VSLI 研討會上的最新聲明，該結構的大規模量產可行性已引發質疑。為解決這些擔憂，這家研究巨頭開發了一種前沿叉片晶體管設計的新方法，旨在推動晶體管技術的持續演進。
根據 imec 的一篇新論文，研究人員推出了一種名為 “外壁叉片” 的新型晶體管布局，預計將從 A10 代（1 納米，10 埃）一直應用到 A7 代。這種外壁叉片晶體管的量產經驗可能對下一代互補場效應晶體管（CFET）的生產具有重要價值。
英特爾、臺積電和三星等領先芯片制造商正通過 18A、N2 和 SF3E 工藝技術，從 FinFET 晶體管向 GAA 晶體管過渡。GAA 晶體管結構允許電流通過水平堆疊的硅層，且四周被材料包圍，從而減少泄漏。這不僅能更好地控制性能和功耗，還能實現更小的單元尺寸。但 imec 指出，使用這種方法擴展到三代以上是很困難的。
不過，2017 年提出的初始版叉片設計在制造成本和良率方面似乎過于復雜。如今，imec 推出了改良版叉片晶體管設計，既保證了量產可行性，又能為下一代工藝技術帶來功耗、性能和面積優勢。
未來十年內，外壁叉片晶體管的量產經驗可能為最終向 CFET 過渡提供參考。這不僅使其成為邁向 CFET 的橋梁，還能為 CFET 的制造提供思路。
叉片晶體管旨在為 GAA 晶體管擴展多代技術生命周期，直到 2030 年代 CFET 不可避免地接管市場。內壁叉片晶體管設計在晶體管溝道之間（或旁邊）設置介電墻，使 n 型和 p 型器件能緊密排列而不產生電干擾。這種設計在復用現有納米片工藝步驟的同時，實現了更緊湊的布局。
原始叉片設計（稱為“內壁叉片”）在標準單元內的 nMOS 和 pMOS 器件之間、柵極圖案化之前放置介電墻。盡管理論上有效，但這種內壁結構面臨制造可行性問題：
為實現 90nm 的單元高度，內壁叉片的絕緣分隔層需極窄（約 8-10nm），且由于在柵極圖案化前放置，會暴露于后續所有工藝步驟中，可能被侵蝕，這對材料提出了嚴格要求。
為 n 型和 p 型區域設置選擇性特征變得困難，因為掩模必須與薄壁精確對齊；大多數電路中兩種晶體管共享單個柵極，但介電墻會阻斷連接，除非柵極延伸覆蓋，這會增加不必要的電容。
內壁叉片的柵極僅覆蓋溝道的三個側面，與 GAA 設計相比控制能力較弱，尤其在溝道長度縮小時更為明顯。
鑒于內壁叉片的制造難點，imec 工程師決定重新設計布局，推出 “外壁叉片”：
該更新版本將絕緣分隔層（介電墻）移至相鄰標準單元的邊緣，不再在單個單元內分隔不同極性器件，而是在單元邊界分隔相同極性器件。這使壁寬可增至約 15nm，同時不影響緊湊的單元高度。
分隔層可在工藝流程后期（如源 / 漏形成和納米片溝道釋放等關鍵步驟之后）構建，避免早期工藝步驟的損傷，并可使用成熟的二氧化硅材料和工具制造。
盡管外壁叉片因壁厚 15nm 可能影響晶體管密度（相比內壁叉片器件更大），但其在制造性和性能上的優勢可能超過初始版本。
外壁的引入帶來兩大核心優勢：簡化制造和更好的柵極集成。柵極電極現在可連接兩種晶體管類型，無需跨越分隔層，簡化了電路設計。此外，在最后步驟中對分隔層進行幾納米的修整，可使柵極包裹更大比例的溝道。仿真顯示，移除 5nm 的墻可使驅動電流增加約 25%，這得益于電控制能力的提升。
（圖源：imec，左為內壁叉片架構，右為外
外壁叉片晶體管的另一優勢是增強了對溝道施加機械應力的能力：早期工藝中，保護掩模覆蓋未來放置介電墻的區域，其下方的硅作為連續晶體模板，引導源極和漏極區域的生長。這種連續結構允許應變誘導材料（如 p 型器件的硅鍺）直接向溝道施加壓應力，提升空穴遷移率和驅動電流，從而改善性能。而包括 GAA 納米片和初始叉片在內的早期設計缺乏這種應變連續性，材料生長過程中會形成不必要的垂直失配，降低機械應力并損害性能。新設計避免了這些缺陷，通過應變技術持續增強電流。
imec 通過仿真存儲器布局和振蕩器電路驗證了新設計的優勢：在靜態存儲器單元中，A10 代的新布局相比 A14 納米片設計實現了 22% 的面積縮減，這得益于同類器件的更緊密排列和柵極間距的縮小；振蕩器測試顯示，當施加全應變時，新布局性能達到或超過 A14 和 2nm 設計，無應變時驅動電流約下降 33%。
叉片晶體管的制造經驗與 CFET 開發高度相關，因為許多工藝步驟、材料和設計概念重疊。叉片晶體管將 p 型和 n 型器件并排放置，而下一代 CFET 則垂直堆疊兩種晶體管類型，盡管基礎技術相同。為此，imec 正研究如何將該布局適配未來 CFET 設計，研究人員認為其最新叉片設計可作為未來垂直器件架構的過渡步驟，為下一代工藝技術提供更平滑的演進路徑。
