本周，在 2021 年 VLSI 技术和电路研讨会 (VLSI 2021) 上，世界领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心 imec 首次展示了全功能集成forksheet场效应晶体管 (FET)。据介绍，具有短沟道控制 (SSSAT=66-68mV/dec)，可与低至 22nm 栅极长度的全环栅 (GAA) 纳米片器件相媲美。双功函数金属栅极（Dual work function metal gates）以 17nm 间距集成在 n 和 pFET 之间，突出了 forksheet 器件在高级 CMOS 面积缩放方面的主要优势。
forksheet 器件最近被 imec 提出作为最有前途的器件架构，以扩展 GAA 纳米片器件的生成，并具有超出 2nm 技术节点的额外缩放和性能。与纳米片器件不同，这些片现在由tri-gate forked结构控制——通过在栅极图案化之前在 p 和 nMOS 器件之间引入介电壁（dielectric wall ）来实现。该壁将 p 栅极沟槽与 n 栅极沟槽物理隔离，允许比 FinFET 或纳米片器件更紧密的 n 到 p 间距。早期基于 TCAD 模拟的技术评估显示，这个晶体管拥有卓越的面积和性能可扩展性。性能提升主要归因于减小的米勒电容——由更小的栅极-漏极重叠导致。
Imec 首次展示了其forksheet器件的电气特性，该器件通过使用 300 毫米工艺流程成功集成，栅极长度低至 22 纳米。发现 n- 和 pFET 都具有两个堆叠的硅通道，都具有完整的功能。它们的短通道控制 (SSSAT = 66-68mV) 与在同一晶片上共集成的垂直堆叠纳米片器件的短通道控制相当。对于 forksheet 器件，使用替代金属栅极流在 17nm 的 np 空间（约为更先进的 FinFET 技术中的间距的 35%）集成了双功函数金属栅极，突出了其中之一新设备架构的主要优势。
“从 2022 年开始，预计今天的前沿 FinFET 晶体管将逐渐让位于大批量制造中的垂直堆叠纳米片晶体管，因为 FinFET 无法在缩放尺寸上提供足够的性能，” CMOS 设备总监 Naoto Horiguchi 解释说imec 的技术。“然而，工艺限制将限制纳米片的 n 和 p 器件可以组合在一起的距离，从而对进一步降低电池高度构成挑战。新的 forksheet 器件架构——GAA 纳米片器件的自然演变——有望突破这一极限，允许轨道高度从 5T 缩放到 4.3T，同时仍提供性能增益。或者，通过叉板设计，可用空间可用于增加板宽度，从而进一步增强驱动电流。
从Forksheet到CFET
在2019年的VLSI座谈会上，imec表示将会把CFET应用到5纳米、3纳米、2纳米上，笔者就此向其中一位演讲者提出：“imec计划从哪个技术节点开始使用CFET”？得到了以下回答：“就此，目前imec还没有达成一致意见”。
后来，imec在其内部达成了以下共识：3纳米之前采用Nanosheet、2纳米采用Forksheet、1纳米采用CFET。也就是说，在此次VLSI座谈会上，imec的其他发言人，如Sujith Subramanian先生，也是基于以上技术蓝图而做的发表。（如下图）
图一
从上图可以清晰地看出FinFET、Nanosheet、Forksheet、CFET的结构变化。从FinFET到CFET，通过将Contact Poly Pitch（PP）做到最小、分离nMOS和pMOS，以达到缩小SRAM面积的效果。
在历年的VLSI座谈会上从未出现过Forksheet这中晶体管结构，今年是之一次，首先做成Nanosheet、然后用绝缘壁膜将其内部分离，就能将nMOS和pMOS分离（如下图），与其说将nMOS和pMOS的Nanosheet分离有意义，不如说工艺的削减更有意义。
图2
此外，在1纳米中，采用了将nMOS和pMOS纵向排列的CFET（如下图8），虽然CFET的工艺流程非常复杂，但毫无疑问，极大地缩小了CMOS、SRAM的面积，达到了集成化。问题是---是否做到了人们所期待的晶体管的特性，这是未来研发的关键。
图3
1nm以后的晶体管选择：CFET？
在VLSI 2020上，IMEC发表了有关单片CFET的有趣论文，我有机会采访了其中一位作者Airoura Hiroaki。在业界众所周知，FinFET（FF）即将达到其定标寿命。三星已经宣布，他们将在3nm的时候转向水平纳米片（Horizontal Nanosheets ：HNS）。台积电（T C）保持3nm的FF，但预计将转移到2nm的新架构。
假设英特尔当时仍在追求自己的技术，则预计英特尔将保留7nm的FF，然后再迁移至5nm的HNS。
该行业最可能的路线图是从FF到带有或不带有Forksheets的HNS，然后过渡到CFET（Complimentary FETs），请参见图1。
从以上技术蓝图来看，28纳米使用了High-K/Metal Gate，16纳米---14纳米导入了FinFET，7纳米---5纳米采用了EUV曝光设备，此外，还将Co应用于Middle of Line（MOL）上。
MOL是一种将晶体管（FOEL）与多层配线（BEOL）连接在一起的孔（Via），虽然imec使用了Co，还有其他选择项如Mo、Ru等。
此外，4纳米---3纳米中采用了具有Nanosheet结构的晶体管。
此次的VLSI座谈会上，有关7纳米、5纳米、3纳米的文章发布得比较多，然而，笔者却发现将Gate All Around（GAA）的Nanosheet结构应用在这些节点上的情况是全球共通的认知。
同时从技术蓝图看，在2纳米中，使用搭载了Buried Power Rail（BPR，在晶体管下埋入电源线的构造）的Forksheet晶体管；在1纳米中，将会使用采用了BPR的Complementary FET（CFET）。
imec在其内部达成了以下共识：3纳米之前采用Nanosheet、2纳米采用Forksheet、1纳米采用CFET。
也就是说，在此次VLSI座谈会上，imec也是基于以上技术蓝图而做的发表。从上图可以清晰地看出FinFET、Nanosheet、Forksheet、CFET的结构变化。
从FinFET到CFET，通过将Contact Poly Pitch（PP）做到最小、分离nMOS和pMOS，以达到缩小SRAM面积的效果。
Forksheet 和CFET通过堆叠nFET和pFET器件的CFET改善n到p的间距来缩小尺寸，见图3。
CFET结构在当前的工作中，已经开发了“单片”（monolithic） CFET， 是将单独的硅片用于nFET和pFET，然后将它们粘合在一起，而按照顺序（sequential），CFET则会将两种类型的FET都制造在同一硅片上。
Imec声称单片技术比顺序技术便宜，而顺序技术要求SOI会增加衬底成本1％。
片CFET的成本优势在1纳米中，IMEC采用了将nMOS和pMOS纵向排列的CFET（如下图8），虽然CFET的工艺流程非常复杂，但毫无疑问，极大地缩小了CMOS、SRAM的面积，达到了集成化。
问题是——是否做到了人们所期待的晶体管的特性，这是未来研发的关键。
我发现起始晶圆成本高出约1％，这有两个原因，一是，我不相信顺序CFET需要SOI，二是，SOI比标准晶圆贵了约1％。整体 还将需要两个起始晶圆，而不仅仅是一个。
我认为这种成本分析需要更多的调查。在单片 中，nFET和pFET在分离的晶圆上制造，从而可以针对该器件优化每个器件的制造流程。
随着我们朝N3方向发展，n到p的分离减少了寄生效应并提高了性能。同样，通过从FF移至GAA）可以在所有四个侧面而不是三个侧面上提供一个栅极，从而改善了静电控制。
这项工作中制造的单片CFET为下一代器件提供了顺序CFET的替代方案，需要进一步研究。
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