推動(dòng)晶體管往5nm以下節(jié)點(diǎn)微縮是VLSI工業(yè)的關(guān)鍵問題之一，因?yàn)樵阶冊(cè)叫〉木w管帶來了各種各樣的挑戰(zhàn)，全世界也正在就這個(gè)問題進(jìn)行一些深入研究以克服未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)的挑戰(zhàn)。

在本文，我們回顧了包括如碳納米管FET，Gate-All-Around FET和化合物半導(dǎo)體在內(nèi)的潛在晶體管結(jié)構(gòu)和材料，他們被看做解決現(xiàn)有的硅FinFET晶體管在5nm以下節(jié)點(diǎn)縮放的問題。

半導(dǎo)體時(shí)代始于1960年，是伴隨著集成電路的發(fā)明而開啟的。在集成電路中，所有有源/無源元件及其互連都集成在單個(gè)硅晶圓上，這就使得它們?cè)诒銛y性、功能性、功耗和性能方面具有領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。而在過去幾十年里，VLSI行業(yè)也在摩爾定律的“指導(dǎo)”下快速發(fā)展。所謂摩爾定律，是指集成在芯片上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡暝黾右槐丁?/p>

為了從縮小尺寸的晶體管獲得相應(yīng)的收益，VLSI行業(yè)在不斷改進(jìn)晶體管的結(jié)構(gòu)、材料、制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)IC的工具。到目前為止，晶體管所采用的各種技術(shù)包括了高K電介質(zhì)，金屬柵極，應(yīng)變硅（strained silicon），雙圖案化（double patterning），從多個(gè)側(cè)面控制通道，絕緣體上的硅（SOI）和更多技術(shù)。其中一些技術(shù)在《關(guān)于CMOS，SOI和FinFET技術(shù)的評(píng)論文章》中有討論過。

如今，物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛汽車，機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能和互聯(lián)網(wǎng)流量的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，這將給晶體管帶來了縮小到現(xiàn)有7nm節(jié)點(diǎn)以下以獲得更高性能的驅(qū)動(dòng)力。然而，縮小晶體管尺寸卻存在若干挑戰(zhàn)。

亞微米（Sub-Micron）技術(shù)的問題：

每次我們縮小晶體管尺寸時(shí)，都會(huì)生成一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。所以我們已經(jīng)看到了如28nm，16nm等的晶體管尺寸。我們知道，縮小晶體管可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)、更高的密度、更低的功耗，更低的每晶體管成本以及跟多的其他增益。

基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的晶體管可以在28nm節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行良好。然而，如果我們將CMOS晶體管縮小到28nm以下，則短溝道效應(yīng)變得不可控制。在該節(jié)點(diǎn)下，由drain-source電源產(chǎn)生的水平電場(chǎng)試圖控制通道。結(jié)果，柵極不能控制遠(yuǎn)離它的漏電路徑。

16nm / 7nm晶體管技術(shù)：FinFet和FD-SOI：

VLSI工業(yè)已采用FinFET和SOI晶體管用于16nm和7nm節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)都能夠防止這些節(jié)點(diǎn)的漏電問題。這兩種結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是最大化柵極到溝道（gate-to-channel）的電容并最大限度地減小漏極到溝道（drain-to-channel）的電容。在兩個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)中，引入溝道厚度縮放作為新的縮放參數(shù)。隨著溝道厚度減小，沒有路徑（path），因?yàn)樗呀?jīng)遠(yuǎn)離了柵極區(qū)域離。因此，柵極對(duì)通道具有良好的控制，這就消除了短通道效應(yīng)。

在絕緣體上硅（SOI）晶體管中，使用掩埋氧化物層，其將主體與圖1（a）中所示的襯底隔離。由于BOX層，漏—源（drain-source）寄生結(jié)電容減小，這帶來更快的切換。對(duì)SOI晶體管來說，它們面對(duì)的主要挑戰(zhàn)是難以在芯片上制造薄硅層。

圖1：a）FD-SOI結(jié)構(gòu)b）FinFET結(jié)構(gòu)和通道

FinFET，也稱為三柵極控制通道，如圖1（b）中的三個(gè)側(cè)面所示。我們可以看到，有一個(gè)薄的垂直“硅體”，看起來像是由柵極結(jié)構(gòu)包裹的魚的Fin。通道的寬度幾乎是Fin高度的兩倍。因此，為了獲得更高的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，我們就使用了多Fin結(jié)構(gòu)。FinFET的收益之一是帶來了更高的驅(qū)動(dòng)電流需求。但FinFET面臨的主要挑戰(zhàn)是復(fù)雜的制造工藝。

5nm以下的挑戰(zhàn)：下一步是什么？

隨著表面粗糙度散射增加的，同時(shí)減小“硅體”厚度，這將會(huì)帶來較低的遷移率。這主要因?yàn)镕inFET是3D結(jié)構(gòu)，所以降低了散熱方面效率。此外，如果我們進(jìn)一步縮小FinFET晶體管尺寸，比如低于7nm，則漏電問題再次出現(xiàn)。再加上如自加熱（self-heating）和閾值平坦化（threshold flattening）等諸多問題也會(huì)被考慮進(jìn)來，這就推動(dòng)我們?nèi)パ芯科渌赡艿木w管結(jié)構(gòu)，并用新的有效材料替換現(xiàn)有材料。

根據(jù)ITRS路線圖（國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖），下一代技術(shù)節(jié)點(diǎn)分別為5nm，3nm，2.5nm和1.5nm。在VLSI行業(yè)和學(xué)術(shù)界，也正在進(jìn)行許多不同類型的研究和研究，以尋找滿足這些未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)要求的潛在解決方案。在這里，我們討論一些有前景的解決方案，其中包括了碳納米管FET（carbon nanotube FET）、GAA晶體管結(jié)構(gòu)和化合物半導(dǎo)體等用于未來節(jié)點(diǎn)的技術(shù)。

圖2：晶體管技術(shù)路線圖

CNTFET - 碳納米管FET：

CNT（碳納米管）展示了一類新興的半導(dǎo)體材料，它是由卷起的單片碳原子組成以形成的管狀結(jié)構(gòu)。CNTFET是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），使用半導(dǎo)體CNT作為兩個(gè)金屬電極之間的溝道材料，這就形成了源極和漏極接觸。在這里，我們將討論碳納米管材料以及它如何在較低的技術(shù)節(jié)點(diǎn)下給FET帶來提升。

什么是碳納米管？

CNT是由碳制成的管狀材料，擁有可在納米尺度上測(cè)量的直徑。它們具有長(zhǎng)而中空的結(jié)構(gòu)，由一個(gè)原子厚的碳片形成，這個(gè)東西就被稱為“石墨烯”（Graphene）。碳納米管具有不同的結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、厚度、螺旋度和層數(shù)。主要被分類為單壁碳納米管（Single Walled Carbon Nanotube ：SWCNT）和多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotube ：MWCNT）。如所示圖3（a） ，可以看到，單壁碳納米管是由單層的石墨烯構(gòu)成，而多壁碳納米則是由多個(gè)石墨烯層組成。

圖3：a）單壁和多壁CNT b）手性矢量表示

碳納米管的特性：

碳納米管在熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，如下所述：

1、金屬和半導(dǎo)體行為

CNT可以表現(xiàn)出金屬和半導(dǎo)體行為。這種行為變化取決于石墨烯片的卷繞方向，這被稱為手性矢量(chirality vector)。該向量由一對(duì)整數(shù)（n，m）表示，如圖3（b）所示。如果'n'等于'm'，或者'n'和'm'的差值是三的整數(shù)倍,則CNT表現(xiàn)為金屬，否則它表現(xiàn)為半導(dǎo)體。

2、令人難以置信的流動(dòng)性

因?yàn)镾WCNT能夠表現(xiàn)為金屬或半導(dǎo)體，所以擁有對(duì)稱傳導(dǎo)（symmetric conduction）和承載大電流的能力，這就使得它們具有很強(qiáng)的電子應(yīng)用潛力，由于沿CNT軸的低散射率，沿CNT長(zhǎng)度的電子和空穴具有很高的電流密度。數(shù)據(jù)顯示，CNT可以承載大約10 A / nm^ 2的電流，而標(biāo)準(zhǔn)金屬線的載流能力僅為10 nA / nm^ 2。

3、出色的散熱性

熱管理是電子設(shè)備性能的重要參數(shù)。碳納米管（CNT）是眾所周知的納米材料，擁有出色的散熱性能。此外，與硅相比，它們對(duì)I-V特性的溫度升高影響較小。

晶體管應(yīng)用中的CNT：CNFET

碳納米管的帶隙可以通過其手性（chirality）和直徑改變，因此可以使碳納米管表現(xiàn)得像半導(dǎo)體。半導(dǎo)體CNT可以是納米級(jí)晶體管器件溝道材料的有利候選者，因?yàn)樗峁┝诉h(yuǎn)超傳統(tǒng)硅MOSFET的許多優(yōu)點(diǎn)。碳納米管傳導(dǎo)熱量類似于鉆石或藍(lán)寶石。此外，與硅基器件相比，它們的切換更可靠，功耗更低。

此外，CNFETS的跨導(dǎo)率（trans-conductance）比其對(duì)應(yīng)物（counterpart）高四倍。CNT可與High-K材料集成，從而為通道提供良好的柵極控制。由于遷移率增加，CNFET的載流子速度是MOSFET的兩倍。在相同的晶體管尺寸下，N型和P型CNFET的載流子遷移率類似。但在CMOS中，因?yàn)檫w移率值不同，PMOS（P型金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管尺寸大約是NMOS（N型金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管的2.5倍。

CNTFET的制造是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)樗枰_和準(zhǔn)確的方法。在這里我們討論頂部門控（Top-gated）的CNTFET制造方法。

該技術(shù)的第一步始于將碳納米管放置在氧化硅襯底上，然后分離各個(gè)管，使用先進(jìn)的光刻來定義和圖案化源極和漏極觸點(diǎn)。然后通過改善觸點(diǎn)和CNT之間的連接來減小接觸電阻。通過蒸發(fā)（evaporation）技術(shù)在納米管上進(jìn)行薄頂柵（top-gate）電介質(zhì)（dielectric）的沉積（deposition）。最后，為了完成該過程，柵極接觸被沉積在柵極電介質(zhì)上。

圖4：碳納米管FET的概念

CNTFET面臨的挑戰(zhàn)：

在商用CNFET技術(shù)的路線圖上，存在許多挑戰(zhàn)。他們中的大多數(shù)已經(jīng)得到一定程度的解決，但其中也有一些尚未得到克服。在這里，我們將討論CNTFET的一些主要挑戰(zhàn)。

1、接觸電阻

對(duì)于任何先進(jìn)的晶體管技術(shù)來說，晶體管尺寸減小而帶來的接觸電阻的增加是他們面對(duì)的主要性能問題。由于晶體管的按比例縮小，接觸電阻顯著增加，這就帶來晶體管性能下降。到目前為止減小器件觸點(diǎn)的尺寸帶來執(zhí)行量（execution）大幅下降，這是硅和碳納米管晶體管技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

2、碳納米管的合成

CNT的另一個(gè)挑戰(zhàn)是改變其手性（chirality），使其表現(xiàn)得像個(gè)半導(dǎo)體。合成的管（synthesized tubes）具有金屬和半導(dǎo)體的混合物。但是，由于只有半導(dǎo)體元件有資格成為晶體管，因此需要發(fā)明新的工程方法，在將金屬管與半導(dǎo)體管分離時(shí)獲得明顯更好的結(jié)果。

3、開發(fā)非光刻工藝，將數(shù)十億個(gè)這些納米管放置在芯片的特定位置上，這構(gòu)成了極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

目前，許多工程團(tuán)隊(duì)正在對(duì)行業(yè)和大學(xué)中的CNTFET器件及其邏輯應(yīng)用進(jìn)行研究。在2015年，一家領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司的研究人員成功地使用“緊密接觸方案”（close-bonded contact scheme）將金屬觸點(diǎn)與納米管結(jié)合起來。他們通過在管的末端放置金屬接觸并使它們與碳反應(yīng)形成不同的化合物來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)幫助他們將觸點(diǎn)縮小到10納米以下而不影響性能。

Gate all around FET：GAAFET

未來的潛在晶體管結(jié)構(gòu)之一是GAAFET（Gate all around FET）。Gate-all-around FET是FinFET的擴(kuò)展版本。在GAAFET中，柵極材料從四個(gè)方向圍繞溝道區(qū)域。在簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中，作為溝道的硅納米線被柵極結(jié)構(gòu)“包圍”。垂直堆疊的多個(gè)水平納米線結(jié)構(gòu)被證明非常適合于提高每個(gè)限定區(qū)域的電流。圖5中展示出了多個(gè)垂直堆疊的gate-all-around硅納米線的概念。

圖5：垂直堆疊的納米線GAAFET

除硅材料外，還可以使用一些其他材料，如InGaAs，鍺納米線，借助這些材料能獲得更好的移動(dòng)性。

在復(fù)雜的柵極制造，納米線和接觸方面，GAAFET存在許多障礙。其中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工藝是從硅層制造納米線，因?yàn)樗枰环N新的蝕刻工藝方法。

最近，位于魯汶的研發(fā)公司聲稱，他們?cè)谥睆綖?0納米以下的納米線上使用GAAFET在通道上實(shí)現(xiàn)了出色的靜電控制。去年，一家領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司推出了一款5nm芯片，該芯片采用堆疊納米線GAAFET技術(shù)，在50mm^2芯片上集成了300億個(gè)晶體管。據(jù)稱，與10nm節(jié)點(diǎn)相比，該芯片性能提高了40％，在相同性能下功耗降低了70％。

化合物半導(dǎo)體

繼續(xù)晶體管微縮的另一種有希望的方法是選擇表現(xiàn)出更高載流子遷移率的新型材料，而擁有來自III、V族成分的化合物半導(dǎo)體與硅相比，明顯擁有更高的遷移率。其中一些化合物半導(dǎo)體實(shí)例是銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）。根據(jù)各種研究，化合物半導(dǎo)體與FinFET和GAAFET的集成在更小的節(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

化合物半導(dǎo)體的主要問題是硅和III-V半導(dǎo)體之間的大的晶格（lattice）失配，導(dǎo)致晶體管溝道的缺陷。有一家公司開發(fā)了一種含有V形溝槽的FinFET進(jìn)入硅襯底。這些溝槽充滿銦鎵砷并形成晶體管的鰭片。溝槽底部填充磷化銦以減少漏電流。利用這種溝槽結(jié)構(gòu)，已經(jīng)觀察到缺陷在溝槽壁處終止，從而能夠降低溝道中的缺陷。

結(jié)論

從22nm節(jié)點(diǎn)到7nm節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)inFET已被證明是成功的，并且它還可以繼續(xù)縮小到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。但我們也應(yīng)該看到，除此之外，還存在各種挑戰(zhàn)，如自加熱，遷移率降低，閾值平坦等。

我們已經(jīng)討論了碳納米管的優(yōu)異運(yùn)動(dòng)特性，散熱性，高載流能力,這將為替代現(xiàn)有硅技術(shù)提供了有前景的解決方案。

隨著水平納米線的堆疊打開“第四柵極”，Gate-all-around晶體管結(jié)構(gòu)也是替換FinFET垂直Fin結(jié)構(gòu)以獲得良好靜電特性的良好候選者。

雖然目前尚不清楚技術(shù)路線圖中的下一步是什么。但是可以肯定的是，在未來的晶體管技術(shù)中，必須改變現(xiàn)有的材料，結(jié)構(gòu)，EUV（極紫外）光刻工藝和封裝，才能繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。