邏輯縮放

　　邏輯設(shè)計(jì)由標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cells）組成，如果您要擴(kuò)展邏輯以增加密度，則標(biāo)準(zhǔn)單元必須縮小。

　　標(biāo)準(zhǔn)單元的高度通常表征為M2P (Metal-2 Pitch) 乘以軌道（tracks）數(shù)。雖然這是一個(gè)有用的指標(biāo)，但它掩蓋了單元高度還必須包含構(gòu)成單元的設(shè)備這一事實(shí)。圖說(shuō)明了一個(gè) 7.5 軌道標(biāo)準(zhǔn)單元，并在單元左側(cè)顯示了 M2P 和軌道，并且在單元右側(cè)是相應(yīng)器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

　　標(biāo)準(zhǔn)單元的寬度由一定數(shù)量的CPP(Contacted Poly Pitches ) 組成，其數(shù)量取決于單元類(lèi)型以及如何處理單元邊緣的擴(kuò)散中斷（diffusion breaks ）。再一次說(shuō)明，CPP 是由一個(gè)器件結(jié)構(gòu)組成的，當(dāng) CPP 微縮時(shí)，它必須微縮。圖 1 說(shuō)明了 CPP，底部是器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

　　圖 1. 標(biāo)準(zhǔn)電源

　　英特爾、三星和臺(tái)積電都已從平面器件轉(zhuǎn)向 FinFET，目前正處于向水平納米片 (HNS) 過(guò)渡的初期階段。目前三星正在量產(chǎn)HNS，英特爾和臺(tái)積電分別公布了2024年和2025年的HNS量產(chǎn)目標(biāo)。

　　圖 2 說(shuō)明了構(gòu)成單元高度的器件結(jié)構(gòu)和尺寸。

　　向 HNS 的轉(zhuǎn)變提供了多種縮小單元高度的機(jī)會(huì)。HNS 可以用單個(gè)納米片堆疊替代多鰭（multiple fin） nFET 和 pFET 器件，從而縮小器件的高度影響。Forksheet 和 CFET 對(duì) HNS 的增強(qiáng)可以減少甚至消除 np 間距。

　　CPP 由柵極長(zhǎng)度 (Lg：Gate Length)、間隔層厚度 (Tsp：Spacer Thickness ) 和接觸寬度 (Wc：Contact Width) 組成，見(jiàn)圖 3。

　　可以通過(guò)降低 Lg、Tsp 或 Wc 或三者的任意組合來(lái)縮小 CPP。Lg 受設(shè)備提供可接受泄漏能力的限制。圖 4 說(shuō)明了各種器件的 Lg 長(zhǎng)度。

　　從圖 4 可以看出，限制溝道厚度和/或增加?xùn)艠O數(shù)量可以縮短 Lg。

　　所謂的 2D 材料由厚度小于 1nm 的單層材料組成，改善了對(duì)溝道的柵極控制并使 Lg 降至約 5nm。在這些尺寸下，硅的遷移率很低，使用具有更高遷移率和更高帶隙的其他材料可以進(jìn)一步減少泄漏。將 Lg 縮小到 ~5nm 的能力可以顯著縮小 CPP，從而縮小標(biāo)準(zhǔn)單元。

　　二維材料挑戰(zhàn)

　　過(guò)渡金屬二硫族化物 (TMD：Transition Metal Dichalcogenides)，例如 MoS2、WS2或 WSe2，已被確定為在單層厚度下具有高遷移率的感興趣材料（硅在這些維度上具有較差的遷移率）。要實(shí)際使用這些材料，需要解決幾個(gè)挑戰(zhàn)/問(wèn)題，這也是文章談到的7篇論文中探討的挑戰(zhàn)/問(wèn)題：

　　器件性能——用這些材料制造的器件是否真的能在短 Lg 下提供良好的驅(qū)動(dòng)電流和低泄漏。

　　觸點(diǎn)——2D TMD films是原子級(jí)別的光滑且難以形成良好的低電阻接觸。

　　成膜——目前在藍(lán)寶石襯底上使用高溫 MOCVD 形成 2D films，然后將生成的薄膜轉(zhuǎn)移到 300mm 硅晶圓上進(jìn)行進(jìn)一步處理。這不是一個(gè)實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程。

　　呈現(xiàn)的結(jié)果

　　在由英特爾CJ Dorow 等人撰寫(xiě)的論文 7.5 “Gate length scaling beyond Si: Mono-layer 2D Channel FETs Robust to Short Channel Effects”中，他們基于AI對(duì)材料性能進(jìn)行了探索。

　　根據(jù)該文章介紹，基于 2D 材料的設(shè)備的最終目標(biāo)是堆疊類(lèi)似于 HNS 堆疊的 2D 層，但每個(gè)溝道更薄，從而實(shí)現(xiàn)更短的 Lg 和堆疊中的更多層。圖 5 說(shuō)明了差異。

　　英特爾在背柵(back gate)上濕法轉(zhuǎn)移了 MBE 生長(zhǎng)的 MoS2薄膜，然后評(píng)估了帶有背柵和附加前柵（front gate）的器件，并得出了源極-漏極距離為 25nm。圖 6 說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu)。

　　英特爾在他們的實(shí)驗(yàn)中遇到了一些分層問(wèn)題，但能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)他們的建模結(jié)果，并得出結(jié)論，雙柵極設(shè)備應(yīng)該能夠縮小到至少 10 納米，并具有低泄漏，見(jiàn)圖 7。

　　圖 7. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（左側(cè)）和仿真結(jié)果（右側(cè)）

　　在臺(tái)積電Mahaveer Sathaiya等人撰寫(xiě)的論文 28.4 “Comprehensive Physics Based TCAD Model for 2D MX2 Channel Transistors”中， 他們討論了 2D 設(shè)備的綜合仿真模型，并針對(duì) 3 個(gè)數(shù)據(jù)集校準(zhǔn)了該模型。能夠準(zhǔn)確地對(duì) 2D 設(shè)備建模將是該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

　　在臺(tái)積電Ning Yang 等人撰寫(xiě)的論文 28.1 “Computational Screening and Multiscale Simulation of Barrier-Free Contacts for 2D Semiconductor pFETs”中， 。他們使用從頭計(jì)算的方法來(lái)篩選 2D 設(shè)備的接觸材料。

　　按照他們的計(jì)算，WSe2接觸電阻的最佳報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果為950 Ω·μm，在這項(xiàng)工作中，Co3Sn2S2預(yù)計(jì)能夠達(dá)到接近量子極限的20 Ω·μm。此外，模擬設(shè)備預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生約 2 mA/μm 的狀態(tài)電流。在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行濺射，然后進(jìn)行高溫退火工藝 (800 °C)，結(jié)果表明可以生成具有預(yù)期化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的Co3Sn2S2。

　　在臺(tái)積電的Ang-Sheng Chou等人撰寫(xiě)的論文 7.2，“High-Performance Monolayer WSe2 p/n FETs via Antimony-Platinum Modulated Contact Technology towards 2D CMOS Electronics”中，他們介紹了 Sb-Pt 調(diào)制觸點(diǎn)（modulated contacts）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該觸點(diǎn)在 WSe2上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的接觸電阻——pFET 為 750 Ω·μm，nFET 為 1,800 Ω· μm，并實(shí)現(xiàn)了約 150 μA/μm 的導(dǎo)通電流。這些結(jié)果不如論文 28.1 中的預(yù)測(cè)好，但代表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果。

　　在臺(tái)積電公司Terry YT Hung 等人的論文 7.3 “pMOSFET with CVD-grown 2D semiconductor channel enabled by ultra-thin and fab-compatible spacer doping”中，他們介紹了致力于生產(chǎn)類(lèi)型的 pFET。許多 2D 材料工作是在肖特基二極管上完成的，但 MOSFET 具有較低的接入電阻。為了創(chuàng)建實(shí)用的 MOSFET，需要一個(gè)帶有摻雜間隔物的 CVD 生長(zhǎng)溝道。在本文中，通過(guò)用O2等離子體處理WSe2以產(chǎn)生 WOx作為摻雜劑來(lái)產(chǎn)生斷帶隙摻雜間隔物。該過(guò)程是自對(duì)準(zhǔn)和自限制的，如圖 8 所示。

　　CVD 生長(zhǎng)的 2D 層仍然單獨(dú)生長(zhǎng)然后轉(zhuǎn)移，但該過(guò)程的其他部分與生產(chǎn)兼容。該器件實(shí)現(xiàn)了最低的 Rc——約為1,000 Ω·μm 。

　　具有WSe2溝道和相對(duì)較高的 Ion > 10-5 A/μm 的晶體管，以獲得良好的 SS < 80mV/dec。

　　在臺(tái)積電Tsung-En Lee 等人撰寫(xiě)的論文 7.4 “Nearly Ideal Subthreshold Swing in Monolayer MoS2 Top-Gate nFETs with Scaled EOT of 1 nm”中，他們展示了在具有頂柵（top gate）的CVD 生長(zhǎng)的MoS2上的 ALD 生長(zhǎng)的~1nm EOT 的基于 Hf 的柵極氧化物，并實(shí)現(xiàn)了低泄漏和 68 MV/dec 的近乎理想的亞閾值擺幅。TMD 材料上的無(wú)針孔氧化物很難實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)工作顯示出優(yōu)異的結(jié)果。

　　最后一篇論文34.5是臺(tái)積電Yun-Yan Chung 等撰寫(xiě)的“First Demonstration of GAA Monolayer-MoS2 Nanosheet nFET with 410 μA/μm ID at 1V VD at 40nm gate length”，在文中，臺(tái)積電公司的人展示了采用集成工藝流程制造的具有良好性能的MoS2器件。

　　圖 9. 說(shuō)明了兩層設(shè)備堆棧的工藝流程模擬。

　　盡管本文仍需要進(jìn)一步研究，但順序沉積（equentially deposited）了2和 4 堆 TMD 和犧牲材料（sacrificial material ）。

　　圖 10. 顯示了所得疊層的 TEM 圖像。

　　二維材料和犧牲層的順序沉積與薄膜轉(zhuǎn)移相比是一種生產(chǎn)類(lèi)型更多的工藝，而且成本也可能更低。

　　然后使用金屬硬掩模將所得堆疊蝕刻成鰭狀物。圖 11. 說(shuō)明了“fin”形成的結(jié)果。

　　與水平納米片堆疊的情況一樣，需要內(nèi)部間隔物來(lái)減少電容。為了形成內(nèi)部間隔，需要額外的犧牲材料來(lái)防止 2D 層坍塌。圖 12. 說(shuō)明了內(nèi)部間隔過(guò)程。

　　最后，形成金屬邊緣觸點(diǎn)，并釋放溝道。圖 13. 說(shuō)明了金屬邊緣觸點(diǎn)。

　　由于在接觸區(qū)和延伸區(qū)中沒(méi)有摻雜，所得器件具有高接觸電阻。如圖演示了具有 40nm Lg 的 1 層器件，Vth 約為 0.8 伏，SS 約為 250 mV/dec，驅(qū)動(dòng)電流為 410 μA/μm。

　　通過(guò)這 7 篇論文，說(shuō)明了在 2D 設(shè)備方面取得的巨大進(jìn)步以及兩家領(lǐng)先設(shè)備生產(chǎn)商的興趣水平。我最近完成的一些預(yù)測(cè)表明，二維 CFET 的邏輯密度可以達(dá)到目前最密集的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)單元的 5 倍。二維 CFET 可能是 2030 年代的技術(shù)，而不是 2020 年代的技術(shù)，這表明邏輯擴(kuò)展遠(yuǎn)未結(jié)束。

　　參考資料

　　https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/324910-iedm-2023-2d-materials-intel-and-tsmc/