本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察

在之前召開的IEDM年度會議上，總共進行了六次小組討論式的演講。其中，由IMEC Technology Solutions and Enablement的高級副總裁Myung‐Hee Na先生做的一個題爲《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的演講最有意思。本篇開始將逐個回顧演講內容，由於演講內容有不充分的地方，筆者爲了讀者易於理解，適當地補充了演講內容。

需要說明的是，雖然這是一個說明未來CMOS邏輯技術的講座，但當中卻省略了數個基本的前提：

第一，以MOSFET（MOS晶體管）的結構爲前提。在28納米一一22納米的世代，芯片晶體管採用的是傳統的平面結構MOS晶體管技術，因此很難繼續微縮化。到了16/14納米及以後的技術節點時代，以FinFET爲代表的立體結構的MOS晶體管成爲了基礎前提。

第二，是支配CMOS邏輯性能的主要原因。之前，能否提升MOS晶體管性能（縮短延遲時間、增加ON電流）關係着CMOS邏輯的性能。但是，就大型、高速CMOS邏輯而言，無法忽視金屬排線引起的時間延誤（且越來越大）。對16/14納米世代以後的技術節點而言，縮短排線引起的時間延誤（或者不延長）對CMOS邏輯的性能提升極其重要。

2025年前的CMOS技術藍圖

在演講之初，Myung‐Hee Na先生首先展示了CMOS邏輯生產技術的微縮化技術藍圖。時間軸（橫軸）範圍爲2011年一一2025年。縱軸爲用對數表示的單位生產成本（美元單元）下晶體管數量，以2爲底數。在2019年的7納米技術之前，幾乎都保持一定比率，從中也可以看出單位生產本下晶體管數量呈增長趨勢。

CMOS邏輯的微縮化技術節點、晶體管的生產成本（以美元爲單位下的晶體管數量、以2爲底數）推移。

以上技術藍圖詳細地說明瞭MOS晶體管技術的變遷。在28納米技術世代，平面型MOS晶體管導入了HKMG（High-K Metal Gate，高介電常數金屬閘極）技術。16/14納米技術節點下，晶體管走向3D化，成爲了FinFET。後來，FinFET持續了一段時間。

7納米技術到5納米技術器件，光刻技術發生了巨大的變化。不採用以往的ArF激光浸沒式光刻，而是導入了EUV（Extreme Ultraviolet，極紫外光刻）光刻技術。此外，將鈷（Co）金屬應用於MOL（middle of the line）的排線材料也開始被廠商引入。

4納米以後的技術則屬於未來。據預測，從4納米技術到3納米技術，晶體管將不再採用FinFET,而是納米結構的MOS晶體管。3納米以後的晶體管技術，即1.5納米技術、1.0納米技術後補將會在下一節進行說明。

就此技術藍圖而言，我們應該關注的是時間軸下面的內容。28納米技術到20納米技術之間的演進。在這個階段，支持微縮化（提高晶體管密度）的手段主要是利用光刻技術使排線和晶體管的節距（Pitch）縮小。但是，20納米以後，節距無法再縮短。於是，通過下調CMOS邏輯的基本單元（Standard Cell）的高度（按照最下層排線的數量來計算），與之前一樣提高了密度。但是，越來越難下調基本單元的高度。據預測，未來，會研發使副系統、線路邏輯實現微縮化的技術。

資料顯示，在28納米之前，通過縮短MOSFET柵極長度（Gate， Chanel 長度）和排線節距，邏輯的基本單元（Standard Cell）面積幾乎是每世代縮小一半，但是，22納米世代以後，柵極長度卻很難像以往一樣縮短了。短柵極效果使MOSFET的閾值電壓不均勻，最終導致無法縮短柵極長度。

因此，16/14納米世代之後開始使MOSFET的柵極3D化，在不縮短柵極長度的情況下，縮小MOSFET的尺寸（硅基板表面和平行方向的尺寸）。此處立體柵極的代表就是FinFET。通過縮小作爲柵極的Fin的節距，繼續實現微縮化。但是，與傳統的平面型MOSFET相比，尺寸縮小的比例變小了。這樣下去，就無法使基本單元的面積縮小一半。

於是，通過降低基本單元的高度（Cell Height），使基本單元的面積縮短至上一代的一半。基本單元的高度由與Fin保持同樣方向（水平方向）的最下層金屬排線（M0或者M1）的數量（Track數量）決定。比方說，10 Track（10T）的意思是一個基本單元上有10根金屬排線。如果在減少Track數量的同時，縮短節距，就可以大幅度降低基本單元的高度。在16/14納米到5納米的世代中，降低了基本單元的高度，這對縮小基本單元面積、即提高CMOS邏輯晶體管密度發揮了巨大作用。

但是，必須將排線的數量確保在某個範圍內。金屬排線由電源/接地線、信號線構成。都對CMOS邏輯的基本單元極其重要。

通過內埋電源/接地線，進一步減少排線的數量

Myung‐Hee Na先生的演講中提到，很難將基本單元的Track數量從6T（Track）降至更低。下圖的基本單元是CMOS  Inverter線路。在論述縮小基本單元的時候，一般會處理晶體管數量最小的理論柵極一一Inverter（理論反轉）。

下圖是imec的技術藍圖（相當於5納米節點的基本單元）。Fin數量如下，2個p 型FinFET 和n型FinFET。單元高度爲6T。如果想要進一步減少Track數量，就存在以下問題：難以使電源/接地線的寬度變得更細（原因是無法提高電阻）、難以縮小FinFET的尺寸、難以縮小p型FinFET和n型FinFET的距離（爲了確保元件分離）。

CMOS邏輯基本單元的斷面構造圖（FinFET的Fin和最下層金屬排線直接交叉方向的斷面圖）。單元的高度爲6Track（6T）。爲了進一步提高CMOS邏輯的密度，要想減少Track的數量，存在多個問題。

解決以上問題的有效辦法是將電源/接地線埋入基板，即BPR（Buried Power Rails）。利用BPR方法，可將Track數量減少至5T，此外，可以將信號排線數量保持爲4T。採用了BPR方法的5T單元，被imec定義爲3納米節點技術的後補。

將單元的高度下調至5T的CMOS邏輯的基本單元的斷面構造圖（FinFET的Fin和最下層的金屬排線直接相交方向的斷面圖）。將電源排線和接地排線埋入基板（BPR）。

由於可以提高BPR下的電源/接地線的縱橫比，因此，也容易降低電阻。但是，FinFET的Fin數量減少爲了一個，與6T 單元相比，晶體管（FinFET）的電流驅動能力（以柵極爲單位）會下降。晶體管的密度雖然得以提高，但很可能需要在防止性能下滑方面下功夫。

Myung‐Hee Na先生的演講中提到，通過採用BPR（Buried Power Rails，將電源/接地排線埋入基板的技術）技術和減少FinFET的Fin數量，實現了5T的基本單元。基本單元的斷面構造如上文所示。

導入了BPR之後，基本單元的構造將比之前更復雜，這是因爲需要從晶體管上面排列的電源/接地線網絡（PDN：Power Delivery Network）向BPR供給電源。具體而言，爲了將PDN的排線網絡和BPR結合，需要具有以下結構：在垂直方向形成連接導孔（Via）、電極層等的細長柱狀結構。在形成此種結構的工藝中，增加了晶體管的製造工藝（FEOL）。此外，也增加了基本單元的硅面積。

採用了BPR（BPR：Buried Power Rails，將電源/接地線埋入基板的技術）技術的CMOS邏輯基本單元的斷面結構。需要向BPR供給電源（白色箭頭部分）。

因此，不需要驗證BPR對基本單元造成的影響，而需要驗證對線路模塊的影響。實際上，對6T的線路模塊和5T的線路模塊分別進行了驗證。6T是FinFET的基本單元，5T是Nano-sheet（NS）FET和BPR的基本單元。

通過導入BPR，電源/接地排線引起的電壓下滑約爲40%，與之前相比下降幅度大幅度降低了。BPR情況下，即使排線較細，也可以保證高度，因此，很容易使排線的斷面積做的較大。即，可以降低電阻。BPR帶來的低電阻大大地緩解了電壓下降的問題（即有利於電源電壓的穩定）。

此外，通過優化供給電源的排線網絡（PDN），線路模組的硅面積大約減少了14%（排除以下：通過縮小晶體管、減少線路的Track數量，削減硅晶圓面積）。

利用線路模塊驗證了BPR的結果，左邊是比較了線路模塊的大小和溫度分佈。就採用了BPR的5T（Track）單元的線路模塊而言，溫度高的部分（Warm）在逐漸變小。右邊是比較了電壓下降（IR Drop）的累計分佈圖。在導入了BPR的5T單元的線路模塊中，電壓的下降幅度約減少了40%，與之前相比下降幅度大幅度降低了。

我們必須再強調一下，BPR是有希望的後補選項，通過導入BPR，能夠有效控制電源電壓的下降。此次，在說明BPR複雜結構的縮略語的同時，介紹一些金屬材料的備選項。

BPR結構的CMOS基本單元具有非常複雜的構造。

導入了埋入式電源/接地線（BPR）的CMOS基本單元的結構和主要的縮略語，此圖引用自小組演講《Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials》的幻燈片，右圖的縮略語是筆者從imec的學術論文中摘選的。

一般情況下，金屬排線使用銅（Cu）作爲材料。但是，內埋式電源/接地線（BPR）很難使用銅（Cu）。這是因爲需要一道蝕刻排線層的工藝。於是，在BPR結構下，鎢（W）、釕（Ru）、鈷（Co）等金屬材料是備選項。

對於內埋式電源/接地線（BPR）的排線結構而言，比較各種金屬。左邊是比較了BPR材料特性，右邊是M0A、BPR的材料、BPR的高度（深度）情況下的不同電阻。

作爲BPR材料，比較了鎢（W）、釕（Ru），單位長度下，Ru的電阻較低，但是，釕（Ru）有污染（Contamination）的風險，另一方面，就VBPR和M0A而言，釕（Ru）和鈷（Co）的電阻更低。與鎢相比，作爲阻擋金屬（Barrier Metal，氮化鈦TiN，電阻較高），釕和鈷可以將厚度做的更薄。

BPR的構造（左）和BPR的電阻（中間）、VBPR的電阻（右）。

可以看出，可將鎢用做BPR的材料，釕用作VBPR和M0A的材料。鎢可以確保通過提高縱橫比，來降低電阻。釕具有使阻擋金屬變薄的特性。此外，釕也可用於不需要阻擋金屬的VBPR，有望用於2納米。

3納米後，電源電壓是一大課題

就3納米世代以後的CMOS邏輯而言，縮小基本單元的有效方法是將電源/接地排線埋入基板內的BPR技術，上文已經論述。在電源系統中，基本單元的電源/接地排線位於最末端。其上端爲有電源供給網絡（PDN：Power Delivery Network），是用於給大量的基本單元供給電源的。

通常，PDN分割多層金屬排線的一部分。通常，PDN在硅芯片（Silicon Die）的表面（FS：Front Side），這種排線方式被稱爲“FS-PDN”。

在導入BPR之前，包含各個基本單元的電源/接地排線的PDN位於硅芯片的表面。爲了縮小基本單元，導入了內埋了基本單元的電源/接地排線的BPR。於是，就需要一個從FS-PDN向BPR垂直供給電源的電極排線（VBPR：Via to BPR）。

從削減硅面積的觀點來看，VBPR的存在是不被希望看到的。於是，通過將PDN配置於硅芯片的背面，來削減VBPR。這被稱爲“BS-PDN”。BS-PDN”和BPR之間由細微的TSV（硅通孔）連接。

電源供給排線網（PDN：Power Delivery Network）的分佈圖，左上角（a）爲傳統的佈局。所有的電源排線都包含在多層金屬排線層內。左下角（b）爲將BPR（內埋式電源/接地排線）導入到基本單元的佈局。右邊（c），在導入BPR的同時，將PDN配置於硅芯片的背面。

製造BPR和背面的電源供給網（PDN）的工藝極其複雜。利用細微的TSV（uTSV或者nTSV）將BPR和BS-PDN連接的同時，還需要一道在硅晶圓背面形成金屬排線的工藝。

利用了細微的TSV（nano-TSV，nTSV）的背面排線和表面排線的連接事例。左邊爲一般的連接結構。右邊爲用nTSV將背面排線（電源供給排線網，PDN）和內埋式電源線（BPR）連接的結構。

比方說，將具有了BPR的硅晶圓（1st wafer）與其他硅晶圓（2nd wafer）貼合，然後研磨1st硅晶圓，在經過蝕刻，使厚度爲10um左右。

在硅芯片背面製造電源供給排線網（PDN）的工藝（前半部分）。

然後，形成連接了BPR的nTSV。nTSV的內埋金屬是銅（Cu）。形成nTSV後，通過單邊鑲嵌工藝（Single Damascene），生產銅排線層的BS-PDN。

在背面生產電源供給排線網（BS-PDN）的工藝（前半部分）。

此外，還評價了CMOS邏輯的基本單元（Standard Cell）的BPR & BS-PDN的效果。以6T（Track）的基本單元（沒有BPR， FC-PDN）爲基準的情況下，導入了BPR的5T（Track）的基本單元（FS-PDN）的線路模塊的面積減少了19%，電源電壓下降值從45mV減少爲35mV。此處，追加BS-PDN的話，線路模塊的面積雖然不變化，電源電壓下降值更低，爲25mV。與6T單元相比，可將電源電壓的變化控制爲45%。

BPR和BS-PDN的效果。左邊是線路模組（Core）的面積和電源電壓下降的關係。右邊是線路模組的溫度分佈（反應IR Drop的大小）。

3nm後，FinFET到達極限

正如我們之前說明的一樣，就以FinFET爲晶體管的CMOS邏輯而言，在縮小Fin的節距的同時，將Fin擡高，通過減少與Fin平行的的最下層的金屬排線的數量（Track數量），來縮小基本單元（Standard Cell）。比方說，就7.5Track的基本單元而言，通過Fin的2個p型FinFER和n型FinFET，構成CMOS Inverter。就下一代而言，在保持Fin的數量的同時，通過將Track數減少爲6個，來縮小基本單元的面積。

此外，就下一代而言，預計會將Track數量減少爲5個的同時，Fin的數量減少爲一個，從而縮小基本單元的面積。減少Fin的數量是爲了保持p型FinFET和n型FinFET之間的距離（是能夠分割元件的距離）。

此處存在的問題是每一代產品對FinFET的規格要求都在變化，同時，在變得越來越嚴格。減少Fin的數量會導致FinFET的電流驅動能力變弱。爲不使電流驅動變弱，必須要提高單個FinFET的的電流驅動能力。此外，如果使Fin做得更薄、減少節距，加工尺寸、異物濃度等帶來的問題影響將會更大。

採用了FinFET的CMOS基本單元（Standard Cell）的微縮化和其存在的問題。

可以想到的解決方案是將FinFET的Fin由垂直改爲平放的Chanel 結構（Nano結構）晶體管。被稱爲“Nano-sheet  FET”、“Nano-ribbon FET”。Fin的結構如下：Fin的側面有2個柵極（Gate）、頂點有一個柵極（Gate），合計爲三個（Tri-gate）；而Nano-sheet結構的優勢如下：上面兩個柵極、下面兩個柵極，合計四個（Gate-All-Around）。在控制短Chanel效果的同時，由於Chanel的寬度變寬，所以電流驅動能力得以提高。

此外，與Fin結構相比，Nano-sheet結構的晶體管的性能差異更小，且由一片薄薄的Sheet的厚度決定晶體管的電流驅動能力。在半導體生產工藝中，厚度（垂直方向的尺寸）由原子層單位控制。Fin的厚度（橫向尺寸）是通過光刻技術加工的，加工尺寸的偏差無法做到某個值（比原子層更長的距離）以下。

從FinFET到Nano-sheet的轉換和Nano-sheet的優勢。

另一個重要的方面是佈局（Layout）自由度的增加。就FinFET而言，Fin的數量由橫向尺寸決定。由於Fin的數量是自然數，因此橫向的尺寸是離散決定的。就Nano-sheet FET而言，由於是垂直堆疊sheet，因此，可以連續地改變橫向的尺寸。

爲了通過FinFET來縮小CMOS的基本單元（Standard Cell），需要採用以下方法：減小Fin的節距、減少Fin的數量、使Fin做得更薄、擡高Fin。於是，FinFET的每個Fin的電流驅動能力雖然得以提高，卻又需要縮小每個Fin之間的差異。這個問題和微縮化一樣，很難處理。

此處考慮到的方案是將FinFET橫向放置的Chanel結構（Nano-sheet 結構）晶體管。

Nano-sheet 結構的晶體管（或者稱爲“Nano-sheet Transistor”）或者“NSH Transistor”的優勢是：電流驅動能力較高，偏差小。但是，imec似乎對於Nano-sheet 結構的開發並不是十分積極。主要理由如下：對於晶體管之間的分離元件而言，Nano-sheet 結構需要與FinFET一樣的距離。

從FinFET到Nano-sheet構造、Fork-sheet構造的變化。

Imec主推的是被稱爲“Fork-sheet構造”的Chanel構造的晶體管（也被稱爲“Fork-sheet Transistor”或者“FSH Transistor”）。通過以Nano-sheet構造爲基礎進行重要的改良後，晶體管間的距離似乎縮小了。對於2納米以後的世代而言，Fork-sheet構造是晶體管技術的有力備選項。

就Fork-sheet構造而言，絕緣膜的薄壁位於中間，p型Nano-sheet和n型Nano-sheet成對。柵極金屬的斷面結構與作爲餐具的叉子形狀類似，因此被稱爲“Fork-sheet”。

就Fork-sheet構造而言，相鄰的Chanel和柵極金屬在物理上是分離的。因此，相鄰的晶體管之間的距離已經縮小至極限。即，CMOS邏輯的基本單元可以縮小。

Fork-sheet構造，嵌入將p型和n型的晶體管的模式圖。

此外，與Nano-sheet相比，Fork-sheet構造具有寄生容量較小的優勢。在消耗同樣電力的情況下，與Nano-sheet構造相比，Fork-sheet構造的晶體管可以更高速地工作。反過來說，在同樣工作頻率的情況下，Fork-sheet構造比Nano-sheet耗費的電力更少。從imec在國際學會IEDM 2019上發佈的論文（論文編號：36.5）來看，用CMOS Inverter的15段 Ring振盪器比較後發現，Fork-sheet構造的工作頻率（以同樣的功耗來比較）提高了10%，功耗（以同樣的工作頻率來比較）減少了24%。

Fork-sheet晶體管成爲候補的理由

我們已經在上文敘述過使基本單元微縮化的有效辦法，即減少與Chanel方向（細長的Active區域）平行的最下層的金屬排線數量（Track數量，T）。通過減少Track數量，縮短基本單元的高度（CH: Cell Height）。但是，這種辦法在6T的時候達到極限，據預測，可以採用將電源/接地線埋入基板內的BPR（Buried Power Rail）方法實現5T。

CMOS邏輯基本單元的架構和各部分的尺寸。左邊淡藍色爲最下層的金屬排線，垂直延伸的紅色部分爲柵極金屬、水平延伸的綠色部分爲Active區域。

就此處規定基本單元（CMOS  Inverter）的高度的定義而言，如下，從Active區域到基本單元區域的距離爲“AB（Active to Boundary）”、Active區域的高度爲“A（Active）”、分割p型晶體管和n型晶體管的距離爲“PN（p to n）”。

接下來，按照CMOS邏輯技術的節點，來逐個討論基本單元各部分高度（CH）的尺寸。在14納米（N14）、10納米（N10），40%（甚至更多）的CH由“A”佔據，“PN”、“AB”分別各佔三成（甚至更低）。在7納米（N7），“A”的比例減少至三成，“PN”、“AB”分別增加至三成多。早接下來的5納米（N5），“PN”的比例進一步增加，增至四成，另一方面，“AB”的佔比減少至2.5成，而“A”的佔比反而增加至3.5成。

各部分在基本單元高度（CH）中的佔比和技術節點（N）的推移。

3納米以後，由於導入了BPR技術，“AB”的比例達到五成以上，爲最大值。這一比例沒有什麼變化。“A”的比例大幅度減少至一成，另一方面，“PN”佔比爲3.5成左右，也比較高。N5以後，“PN”雖然變得較短，但是卻是微縮化的關鍵。

從以上可以看出，能夠縮短“PN”的“Fork-sheet構造”比“Nano-sheet構造”更有優勢。這也是imec的觀點。

我們也應該認識到，Fork-sheet構造具有單元佈局自由的優勢。這是因爲可以控制“PN”、“A”。在演講中，提到了使寄生容量最小化的佈局、使電流驅動能力最大化的佈局、使單元面積最小化的佈局。

就將寄生容量最小化的佈局而言，Active區域不是很寬、且適當地確保了晶體管間的距離。就使電流驅動能力最大化的佈局而言，在擴大Active區域的同時，縮小了晶體管間的距離。就使單元面積最小化的佈局而言，Active區域較細、縮小了晶體管間的距離。單元的高度控制爲4.4T。

Fork-sheet構造，優化了基本單元佈局的事例。左邊爲寄生容量最小的佈局、中間爲提高了電流驅動能力的佈局、右邊爲單元面積最小化的佈局。即圖中的“M0A”爲“Contact-to-Active, Active Trench Contact（與Active層相連接的接觸金屬層）”、“MINT”爲“水平放下的最下層金屬排線（一般相當於M1）”、“BPR”爲“Buried Power Rail（埋入式電源/接地線）”。

接下來，我們在敘述Fork-sheet構造的CMOS邏輯的生產工藝的同時，也會公佈用電子顯微鏡和熒光X線觀察的晶體管的斷面圖（試作品）的圖像。

構成Fork-sheet（FSH）構造的CMOS邏輯的一對晶體管的斷面構造圖。左邊的構造圖（a）是在柵極電極處的斷面。這對晶體管的左邊是p型，右邊是n型。右邊的構造圖（b）是Active區域的斷面（Source/Drain區域）。用絕緣膜壁用電和物理特性使晶體管分開。

這一對Fork-sheet構造的晶體管（一對p型和n型）具有非常複雜的結構，乍一看，很難想象是以何種工藝製成的。

以Nano-sheet的生產工藝爲基礎，針對Fork-sheet，追加和變更了一部分。

根據Myung‐Hee Na先生的演講，Fork-sheet構造的生產工藝是Nano-sheet構造生產工藝的基礎。不僅在Fork-sheet構造中追加了特殊的工藝，還針對Fork-sheet進行了部分工程變更。

最大的差別是增加了形成絕緣膜壁的工藝（Step）。此外，將形成內部Spacer的工藝和Active（Source、Drain）層的外延生產工藝、形成RMG（Replacement Metal Gate）的工藝全部改爲了針對Fork-sheet構造。其他工藝與Nano-sheet構造的晶體管工藝基本相同。

Fork-sheet構造晶體管的生產工藝流程

再稍微具體一些說明，首先加工Nano-sheet壓層形狀的模板，形成淺槽分離層（STI：Shallow Trench Isolation），通過CMP（Chemical Mechanical Polishing）達到平坦效果。接下來，實施埋入式電源/接地排線（BPR: Buried Power Rail）的蝕刻和成膜工藝（此處的BPR工藝是選擇性的）。然後，使Nano-sheet的壓層結構曝光，形成用於Fork-sheet的垂直絕緣膜（絕緣膜壁）。

然後，進行以下工藝：加工柵極的線路（Pattern）、形成Spacer、Fin的Recess、內部Spacer、Source/Drain的外延生長、形成層間絕緣膜（ILD）和CMP、形成RMG、柵極的Recess和Cut、形成柵極的Plug、Metallization。

在演講中，Myung‐Hee Na還展示了用電子顯微鏡和熒光X線分光設備觀測的Fork-sheet構造的試作品（是按照以上工藝進行試做的）的圖像。由絕緣膜壁分割的一對晶體管的距離爲17納米。可以看出，柵極絕緣膜和柵極金屬膜很整齊地融入在壓層薄片（Sheet）裏。

試做的Fork-sheet構造的斷面圖像，左邊爲用透射電子顯微鏡觀察的圖像。右側爲用能量分散型熒光X線分光設備（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectrometer）拍攝的Mapping 圖像。

就理論線路單元而言，與FinFET相比，Fork-sheet構造的CMOS邏輯的佈局（Layout）自由度更高。具體而言，FinFET的CMOS Inverter的連接Track（水平方向的最下層的金屬排線）和柵極的連接位置是受限的。無法使中間的2個Track連接。但是，如果是Fork-sheet構造，可以使中間的2個Track連接。

CMOS基本單元（Inverter）的佈局（Layout）和柵極連接（Gate Connect）的佈局（Layout）。上部（a）的晶體管是FinFET。水平方向有4個Track，但中間的2個Track無法做到柵極連接。中間的（b）和下面的（c）的晶體管是Fork-sheet構造。所有的Track都可以與柵極連接。

接下來，比較一下D類Flip Flop（D-FF）的理論線路單元。同樣高度的單元，Contact Gate Pitch（CPP 或者“CGP”）數量會不同。Nano-sheet（NSH）構造爲11Pitch，FinFET爲10 Pitch，Fork-sheet（FSH）構造爲9 Pitch。與NSH構造相比，FSH構造的D-FF的單元面積小了20%左右。

D類Flip Flop（D-FF）的單元佈局。自上而下：Nano-sheet（GAA NSH）構造（a）、FinFET（b）、Fork-sheet構造（c）。

我們還分別比較了在高性能佈局和高密度佈局下的Nano-sheet構造和Fork-sheet構造的SRAM。就高性能的SRAM單元而言，Fork-sheet構造可以縮短p Chanel和n Chanel的距離（PN），因此，單元面積可以減少約兩成左右。如果是高密度的SRAM單元，單元面積可以減少約三成。

比較了在Nano-sheet構造和Fork-sheet構造下的SRAM的單元面積。左邊爲高性能的SRAM的單元。右邊爲高密度的SRAM的單元。

2nm後的晶體管選擇

FinFET的“下一代的下一代”技術指的是Nano-sheet構造和Fork-sheet構造的下一代。Nano-sheet構造和Fork-sheet構造被認定爲屬於同一時代的技術（FinFET的下一代）。雖然Nano-sheet構造和Fork-sheet構造比較類似，但是晶體管構造有很大的不同。Nano-sheet構造是晶體管的單獨構造，Fork-sheet構造是以CMOS 邏輯爲前提的。

可以說，將兩個晶體管進行高密度融合並生產出來，纔是Fork-sheet構造。

imec所考慮的晶體管的技術藍圖。從FinFET到Nano-sheet、Fork-sheet的各代技術。平面（2D）構造的晶體管已經達到極限，因此新一代的3D（壓層）構造的CFET（Complementary FET）是有希望的備選項。

FinFET的“下一代的下一代”的晶體管的前提與Fork-sheet構造相同一樣、即CMOS邏輯。Fork-sheet構造的特點爲“PN距離（爲分離p Chanel 和n Chanel的晶體管的距離）較短”，且這一特點還在被改善。

具體而言，在p Chanel晶體管的FET上重合n Chanel的FET。硅面積就減少爲一個晶體管的分量，理論上密度會提高。此外，由於“PN 距離”的進一步縮短，理論上CMOS 邏輯的工作速度會提高。這種晶體管的結構被稱爲“互補型FET（C FET，C=Complementary）”。

CFET的想法比較簡單。由平面型的p Chanel MOSFET和n Chanel MOSFET構成的CMOS Inverter共同擁有細長的柵極電極。以柵極電極的中線爲中心線，摺疊兩個晶體管。在p Chanel FET的上面重合n Chanel FET的3D壓層結構的晶體管會是一對（兩個）。

之所以把p Chanel FET放在下面是因爲標準的生產工藝順序，即首先生產p Chanel，然後生產n Chanel。理論上來講，把n Chanel FET放在下面也可以製成CFET。

“互補型FET（C FET，C=Complementary）”，S爲Source、D爲Drain、G爲Gate

如果要再次描述一下CFET的特點的話，首先一點就是縮小CMOS基板單元。與以往的晶體管線路相比，硅晶圓面積減少了約一半。可以用接近一個晶體管的硅面積製作由兩個晶體管構成的CMOS元件，此外，p Chanel的材料和n Chanel的材料是可以分別選擇的。

“互補型FET（C FET，C=Complementary）”的特點、用電子顯微鏡觀察的試做的晶體管的斷面結構圖像。

在2納米世代技術以後，CFET會成爲CMOS 邏輯的有力備選項。在1.5納米世代、1.0納米世代，CFET將會是必選項。

就CMOS基本單元（Inverter）的佈局（Layout）而言，是多個Chanel處於水平方向。與Chanel平行佈局的最下層的金屬排線數量（Track：T）決定着單元的高度（CH）。金屬排線數量的減少直接關係着單元高度的降低。

最初，是通過CMOS基本單元（把晶體管技術當做FinFET）來減少Track 數量（T）的。7.5T和6T都是在FinFET的情況下減少了Track數量。但是，5T情況下就很難用傳統技術來降低單元的高度了。首先考慮到的是保持FinFET不變，然後採用BPR（Buried Power Rail，將金屬排線的電源/接地線埋入基板）方法。實際效果如下：減少了兩根金屬排線。

5納米世代以後的晶體管技術（斷面構造圖）的選項。上面三個是FinFET，下面自左開始爲Nano-sheet FET、Fork-sheet FET、 CFET。

通過融合BPR和FinFET，5T Fin的數量是每個晶體管一張，但是晶體管的性能有可能會下降。於是，通過將晶體管從FinFET改爲Nano-sheet構造和Fork-sheet構造，與FinFET相比，晶體管的性能得以提升，同時，晶體管的密度也易於提高了。高度爲5T的CMOS的基本單元有Fin FET、Nano-sheet、Fork-sheet三個選項，且是混合存在的。

但是，就4T以後的Low Profile而言，如果採用將p Chanel FET 和n Chanel FET放在硅表面的CMOS元件的話，比較困難。引進將p Chanel FET 和n Chanel FET垂直堆疊在硅表面的CFET（Complementary FET），是業界所希望的。

imec認爲，可以通過導入CFET，使CMOS的基本單元的高度降低至4T或者3T。比方說，可以將與6T的2Fin型FinFET具有同樣功能的理論單元（AOI，AND-OR-INVERT ）211 Cell和DFQD1 Cell（ Flip Flop）佈局爲3T（是CFET的一半）。

FinFET 的理論線路單元（6T）、CFET的理論線路單元（3T）。運用CFET，可以將理論線路單元的高度縮短爲FinFET的一半。

此外，就拿3納米世代的Arm 處理器來講，與5T Nano-sheet構造相比，4T的CFET的核（Core）面積會減少13.3%。此外，採用CFET，可以全部使最下層的金屬排線（M0）相互連接（Routing），因此，可以將與M0直接相交的第一層金屬排線（M1）分配爲輸入、輸出的Pin或者相互連接等。如果靈活運用這一優勢，優化金屬排線工序（BEOL），預計可以進一步將核（Core）的面積減少7%。

總而言之，在3nm之後，芯片產業將迎來巨大變革！

Arm 處理器核的硅面積比較值（相對值）。與5T的Nano-sheet構造相比，4T的CFET的核（Core）的面積減少了13%（左邊）。此外，CFET情況下，第一層金屬排線（M1）的Routing還有餘地（右邊），因此通過優化金屬排線工藝（BEOL），可以進一步減少核（Core）的面積。