續命摩爾定律新進展！英特爾提出晶體管密度翻倍新工藝

芯東西（公眾號：aichip001）

編譯 | 子佩

編輯 | Panken

芯東西12月30日消息，英特爾在本週的IEEE國際電子設備會議上展示了一項新的研究，或為續命摩爾定律提供下一步可行方向。

此項研究是英特爾一直熱衷的堆疊納米片晶體管技術，通過將PMOS和NMOS兩種晶體管堆疊起來，可以將CMOS電路的面積減少一半，這意味着未來集成電路晶體管密度可能會翻番。

幾乎每一台電子設備都離不開NMOS和PMOS兩種晶體管的“協同合作”。在相同的電壓下，兩個晶體管只有一個會打開，把它們放在一起意味着只要有其中之一發生改變，電流才會流動，這大大地降低了能耗。

幾十年以來，NMOS和PMOS晶體管在CMOS電路中一直並排放置，如果我們想讓CMOS電路的尺寸更小，那兩個晶體管的位置就應該更加貼近。

英特爾選擇的方式，就是讓它們堆疊起來。

堆疊的NMOS和PMOS晶體管（圖源：英特爾）

有了堆疊晶體管這一巧思，英特爾使用了被稱為下一代晶體管結構的納米片晶體管技術。不同於以往晶體管主要由垂直硅鰭片構成，納米片（nanosheet）的溝道區由多層、水平的、納米級薄的片層堆疊而成。

CMOS器件由平面發展至FinFET、納米薄片，進一步縮小電路尺寸。（圖源：英特爾）

基於以上的思路，英特爾的工程師們設計了最簡單的CMOS邏輯電路，即反相器，它只包含兩個晶體管、兩個電源連接、一個輸出和一個輸入互連接口。

英特爾製造堆疊納米片的方案被稱為自對準過程，因為它在一步中就可以構建出兩個已經堆疊起來的晶體管，而不需要後期再將兩塊獨立的晶體管再粘合在一起。

本質上，該堆疊工藝的改變是對納米片晶體管制造步驟的修改。

首先，硅和硅鍺的重複層將會被雕刻成狹長的窄鰭形狀，然後，硅鍺層會被蝕刻，只留下一組懸浮的硅納米薄片。

通常來説，一組納米片最後會形成一個晶體管。

但在新工藝中，為了形成NMOS晶體管，頂部的兩個納米片被連接到磷摻雜的硅上；為了形成PMOS晶體管，底部的兩個納米片被連接到硼摻雜的硅鍺上。

由堆疊晶體管組成的反相器（圖源：英特爾）

英特爾高級研究員兼組件研究總監Robert Chau表示，整套製作工藝當然會更加複雜，但是英特爾研究人員正努力使它儘可能簡單。

他説：“複雜的製造流程會影響到製造堆疊CMOS芯片的實用性。一旦解決了製造工藝實用性的問題，下一步就是要追求更好的性能。”

這可能將會涉及改進PMOS晶體管，因為目前他們導電效率遠低於NMOS晶體管。Robert Chau表示，如果要改進導電效率，他們會考慮通過壓縮應變或拉伸應變的方式改變晶體管溝道，使硅晶體變形，讓載流子更快通過。

不只是英特爾，其他許多研究機構也在尋求堆疊納米片領域的創新設計。

比利時研究機構Imec率先提出了CFET（納米薄片場效應晶體管）的概念，並在去年IEEE VLSI（超大規模集成電路大會）會議上報告了這一進程，但Imec的這一成果並非完全由納米片晶體管制成，它的底層是FinFET，頂層是單一納米片。台灣研究人員也曾發表一個用於PMOS、NMOS晶體管制造的CFET結構。

英特爾的堆疊納米片晶體管技藝，會帶我們走向摩爾定律的下一步嗎？我們拭目以待。

來源：IEEE Spectrum