日前，臺積電資深副總經(jīng)理暨副共同首席運營官張曉強在2024技術(shù)論壇上宣布，臺積電已成功集成不同晶體管架構(gòu)，在實驗室做出CFET（互補式場效應(yīng)晶體管）。張曉強指出，CFET預(yù)計將被導(dǎo)入下一代的先進邏輯工藝。CFET是2nm工藝采用的納米片場效應(yīng)晶體管（NSFET，也稱為環(huán)柵或 GAA）架構(gòu)后，下一個全新的晶體管架構(gòu)。從14nm導(dǎo)入三維FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）起，人們已將摩爾定律推進到3nm節(jié)點，明年即將量產(chǎn)的2nm芯片將全面轉(zhuǎn)向GAA架構(gòu)。與此同時，人們也在積極儲備下一代的芯片技術(shù)力量。全新的CFET架構(gòu)或?qū)⒊蔀榘Ｃ讜r代的主流架構(gòu)。
芯片三巨頭發(fā)力下一代晶體管
CFET 作為一種晶體管垂直堆疊CMOS工藝，于 2018 年由比利時微電子研究中心(IMEC)提出。人們普遍認為，CFET將會被用于未來更為尖端的埃米級制程工藝。根據(jù)此前IMEC公布的技術(shù)路線圖，憑借CFET，芯片工藝技術(shù)在2032年將有望進化到5埃米（0.5nm），2036年有望實現(xiàn)2埃米（0.2nm）。
因此，不僅是臺積電，還包括三星、英特爾在內(nèi)的芯片三巨頭，都對CFET的開發(fā)給予高度重視。英特爾是三家中最早演示CFET的，早在2020年就在由IEEE電子器件協(xié)會主辦的IEEE IEDM會議上發(fā)布了早期版本，其圍繞 CFET 制造的最簡單電路（inverter）做了多項改進。英特爾組件研究小組首席工程師Marko Radosavljevic表示：“inverter是在單個鰭片上完成的。在最大縮放比例下，它將是普通CMOS逆變器尺寸的50%。”此外，英特爾還通過將每個器件的納米片數(shù)量從2個增加到3個，將兩個器件之間的間距從50 nm減小到30 nm。
三星對CFET的開發(fā)也很積極。在當時的會議上，三星演示了48nm和45nm接觸式多晶硅間距 (CPP) 的結(jié)果。三星成功的關(guān)鍵在于能夠?qū)Χ询B式pFET和nFET器件的源極和漏極進行電氣隔離，這使設(shè)備的產(chǎn)量提高了80%。
臺積電在2023年歐洲技術(shù)研討會期間表示，CFET 晶體管現(xiàn)已在臺積電實驗室中進行性能、效率和密度測試，同時強調(diào)將p型和n型FET集成到單個器件中，CFET需要使用高數(shù)值孔徑EUV光刻機來制造。隨著臺積電近日宣布在實驗室做出CFET，三大芯片巨頭之間的研發(fā)競賽將變得更為激烈。
當然，除芯片三巨頭之外，其他國家和地區(qū)的企業(yè)和研究機構(gòu)也在積極參與CFET的開發(fā)與研制。有報道稱，中科院微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心殷華湘/吳振華研究團隊利用業(yè)界主流的Design-Technology Co-optimization（DTCO）方法全面探索了CFET的器件架構(gòu)優(yōu)勢，提出了新型混合溝道CFET（Hybrid Channel Complementary FET，HC-CFET）結(jié)構(gòu)設(shè)計和集成方案。該成果發(fā)表在2022年的《電氣和電子工程師協(xié)會電子器件學(xué)報》期刊上。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與中國臺灣半導(dǎo)體研究中心（TSRI）等，也在合作開發(fā)CFET相關(guān)的課題。
CFET架構(gòu)2032年超越1nm節(jié)點
所有的現(xiàn)代計算機芯片都是由晶體管組成的。經(jīng)典的平面晶體管結(jié)構(gòu)都包含一個柵極、一個源極和一個漏極，并排列在一個二維平面上。當人們對柵極施加一個電壓，柵極就會打開，電流從源極流向漏極，電路就會導(dǎo)通。這是現(xiàn)代計算機芯片最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。
但隨著晶體管的尺寸不斷縮小，特別是溝道的尺寸也隨之縮小，人們面臨的問題也隨之增加，比如漏電就是其中之一。人們的解決方案是改變晶體管的結(jié)構(gòu)——從二維平面變?yōu)槿S立體，F(xiàn)inFET架構(gòu)就是在這個背景下被提出，其基本上仍然采用平面晶體管結(jié)構(gòu)，但將導(dǎo)電溝道向上拉伸為垂直鰭片，以改善漏電問題。
2011年，英特爾推出了首款商用的FinFET結(jié)構(gòu)芯片。幾年后，三星和臺積電也開始生產(chǎn)16nm和14nm FinFET芯片。此后，先進工藝一直基于FinFET架構(gòu)在發(fā)展，一直延續(xù)到當前的5nm和3nm。
然而目前FinFET技術(shù)已經(jīng)達到極限，高漏電問題再次困擾著人們。為了進一步縮小晶體管、解決并降低成本，整個行業(yè)正在轉(zhuǎn)向GAA技術(shù)。臺積電已經(jīng)確定將在其N2工藝節(jié)點上轉(zhuǎn)向 GAA，計劃在2025年初開始生產(chǎn)基于GAA架構(gòu)的芯片。首批芯片預(yù)計將用在新一代蘋果iPhone手機上。
平面晶體管的導(dǎo)電溝道只在表面，F(xiàn)inFET的導(dǎo)電溝道在三面，柵極則環(huán)繞在導(dǎo)電溝道周圍。與原始平面晶體管相比，F(xiàn)inFET更緊湊，因此使用FinFET，人們現(xiàn)在能夠?qū)⒐に嚬?jié)點向下進一步延伸。CFET的變化更大，其目的是在單一集成工藝中將n型（nFET）和p型（pFET）晶體管堆疊在一起。這種設(shè)計有望將晶體管密度提高近一倍，同時三維疊層設(shè)計可以縮短晶體管之間的距離，優(yōu)化電氣特性，從而提高整體性能，為摩爾定律的下一階段鋪平道路。
量產(chǎn)難度與成本增加不容忽視
如果說2nm芯片將全面轉(zhuǎn)向CAA架構(gòu)，那么CFET將成為埃米時代的技術(shù)。IMEC CMOS總監(jiān)Naoto Horiguchi在國際電子器件會議(IEDM) 演講時表示：“僅使用CAA來縮放CMOS器件是非常困難的。”“借助 CFET，我們可以繼續(xù)器件擴展，然后可以將其與Chiplet和先進封裝等其他技術(shù)相結(jié)合，以提高芯片性能。CFET正在為器件的持續(xù)擴展開辟一條道路。”IMEC 預(yù)計，CFET架構(gòu)將在2032年左右超越1nm節(jié)點。
當然CFET面臨的問題還有很多，特別是未來量產(chǎn)過程中，CFET的制造將更加困難。一方面CFET架構(gòu)比CAA架構(gòu)的3D結(jié)構(gòu)更高，結(jié)構(gòu)縱橫比的增加將帶來更大的制造挑戰(zhàn)；另一方面，CFET需要非常高的摻雜劑激活，需要非常低的接觸電阻率，需要為CFET提供特殊的高k/金屬柵極，而且這些都必須在非常高的堆疊結(jié)構(gòu)中完成。
臺積電表示，CFET架構(gòu)的重大挑戰(zhàn)可能會導(dǎo)致工藝復(fù)雜性和成本增加。“為了克服這些挑戰(zhàn)，必須仔細選擇集成方案，以降低工藝復(fù)雜性，并最大限度地減少對新材料和工藝能力的要求。”臺積電器件架構(gòu)開拓總監(jiān)Szuya Liao表示，“參與早期 EDA/流程工具開發(fā)，為重大設(shè)計變更做好準備也很重要。”
