如今幾乎所有數(shù)字元件背后的邏輯電路都依賴于兩種成對的晶體管– NMOS 和PMOS。相同的電壓信號會將其中一個晶體管打開，而將另一個關(guān)閉。將它們放在一起意味著只有發(fā)生些微變化時電流才會流通，進而大大降低了功耗。這些成對的晶體管已經(jīng)彼此櫛次鱗比在一起好幾十年，但是如果電路要繼續(xù)縮小，它們就必須靠得更近。

　　英特爾（Intel）在本周的IEEE 國際電子元件大會（IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM）上展示全然不同的排列方式：把一對晶體管堆疊在另一對上面。該方案有效地將一個簡單的CMOS 電路所占面積減半，這意味著未來IC 集成電路芯片上的晶體管密度可能會增加一倍。

　　該方案首先使用了被廣泛認可的下一代晶體管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有不同的稱呼，包括納米片（Nanosheet）、納米帶（Nanoribbon）、納米線（Nanowire）或環(huán)繞式結(jié)構(gòu)（Gate- All-Around, GAA）元件。和當(dāng)前晶體管主要部分是由垂直硅鰭片組成之常見做法不同的是，英特爾納米片的通道區(qū)是由多個相互堆疊之水平納米級薄片組成。

　　采用自我對準(zhǔn)制程配方，修改制造步驟成為制程重點

　　英特爾工程師使用這些元件來打造極簡的CMOS 邏輯電路，亦即所謂反向器（Inverter）。它需要兩個晶體管，兩個電源接線，一個輸入連線和一個輸出連線。即使晶體管也采取像當(dāng)前并排的放置方式，但排列得非常緊湊。透過堆疊晶體管并調(diào)整互連，反向器面積得以減半。

　　英特爾用于打造堆疊式納米片的配方被稱為「自我對準(zhǔn)」（Self-Aligned）制程，因為其實質(zhì)上可透過相同的步驟中構(gòu)建兩種元件。這很重要，因為多加第二步驟（比如，在個別的晶圓上構(gòu)建他們，然后再將晶圓接合在一起）可能會導(dǎo)致晶圓定位偏移，進而造成任何潛在電路的破壞。

　　該制程的核心重點是對納米片晶體管的制造步驟進行修改。它首先從重復(fù)的硅層和硅鍺層開始。然后將其蝕刻成一個又高又窄的鰭片，然后再將硅鍺蝕刻掉，留下一組懸浮的硅納米片。通常，所有的納米片都會形成單一的晶體管。但在此，最上面兩個納米片會連接到摻磷硅（Phosphorous-Doped Silicon）上，其目的為了形成一個NMOS 元件，而底部兩個納米片則連接到了摻硼硅鍺（boron- doped silicon germanium）上，以產(chǎn)生PMOS。

　　簡化整合流程，將應(yīng)變引進自家元件中

　　這整個「整合流程」當(dāng)然要復(fù)雜得多，但是英特爾研究人員一直在努力使其盡可能地簡單，英特爾資深研究員暨元件研究總監(jiān)Robert Chau 表示。「整合流程不能太過復(fù)雜，因為這將影響到以堆疊式CMOS 制造芯片的可行性。結(jié)果證明這是一個非常實用的流程，并取得了可觀的成果。」

　　他表示：「一旦掌握了這個訣竅，下一步就可以開始追求效能表現(xiàn)了?！惯@可能包括PMOS 元件的改進作業(yè)，目前它們在驅(qū)動電流方面落后NMOS。Chau 進一步指出，該問題的答案可能是要在晶體管通道中引進「應(yīng)變」（Strain）。此一構(gòu)想是透過快速通過載流子（Charge Carrier，在這種情況下為電洞）的這種方式來扭曲硅晶體晶格。英特爾早在2002年就將應(yīng)變引進至自家元件中。在IEDM 大會的另一項研究中，英特爾展示了一種能在納米帶晶體管中同時產(chǎn)生壓縮應(yīng)變（Compressive Strain）和拉伸應(yīng)變（Tensile Strain）的方法。

　　其他研究組織也正展開堆疊式納米片的設(shè)計研究，盡管有時將它們稱為互補式場效晶體管（Complementary FET, CFET）。比利時研究組織Imec 率先提出了CFET 概念，并于去年6 月的IEEE超大型集成電路技術(shù)研討會（VLSI Symposia）上發(fā)表了實作CFET 的研究報告。但是，Imec 元件并非完全由納米片晶體管制作而成。其底層反而是由鰭式場效晶體管（FinFET）組成，頂層則為單一納米片。中國臺灣研究人員曾發(fā)表一篇有關(guān)CFET實作的研究報告，該結(jié)構(gòu)上的PMOS 和NMOS 各有一片納米片。相比之下，英特爾的電路在3 納米之納米片PMOS 上面有一個2 納米之納米片NMOS，這更接近當(dāng)堆疊有必要時元件該有的樣子。