摩爾定律再一次奏效：3D堆疊或將開啟晶體管的新10年
它表明，每隔 18~24 個月，封裝在微芯片上的晶體管數量便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。
然而，隨著新工藝節點的不斷推出，晶體管中原子的數量已經越來越少，種種物理極限制約著摩爾定律的進一步發展。
甚至有人認為摩爾定律已經結束了。
過去50年里，影響最深遠的技術成就也許就是晶體管小型化的穩步推進，它們的集成密度越來越高、功耗越來越低。自從20多年前在英特爾開始職業生涯以來，我們就一直聽到這樣的警告：這種無窮小的演變即將結束。然而年復一年，優秀的新型創新成果還在繼續推動半導體行業進一步發展。
在這個過程中，工程師需要改變晶體管的架構，在提高性能的同時持續縮小其面積并降低功耗。帶領我們走過20世紀下半葉的“平面”晶體管設計，在21世紀10年代前半期被3D鰭狀器件取代。如今，隨著一種新的全環繞柵極（GAA）結構即將投入生產，這些3D鰭狀器件也即將被取代。但是我們必須看得更遠，因為我們縮小這種新型晶體管結構（我們稱之為“RibbonFET”）的能力也有限。
那么，未來的小型化工作要如何開展？我們將繼續關注第三維度。我們開發了可以互相堆疊的實驗裝置，能夠實現比原來小30%至50%的邏輯。至關重要的是，頂部和底部器件分屬N溝道金屬氧化物半導體（NMOS）和P溝道金屬氧化物半導體（PMOS）兩種互補類型，它們是過去幾十年里所有邏輯電路的基礎。我們相信這種3D堆疊的互補金屬氧化物半導體（CMOS）和互補場效應晶體管（CFET）將是摩爾定律延續到下一個10年的關鍵。
什么是半導體
半導體，字面含義指的是具有特殊電學性質的材料。早在1833年，被譽為“電學之父”的英國物理學家法拉第就發現硫化銀的電阻隨著溫度上升而降低，此后的五十年里，光生伏特效應、整流效應、光電導效應先后被歐洲科學家發現，為后續半導體行業的發展奠定了基礎。但直到1947年，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓三名科學家研制出世界上第一個晶體管后，人類的科技才逐步走進半導體時代。
在相當長一段時期，電子真空管統治著整個電子行業，例如世界第一臺計算機ENIAC，使用了17468個電子管，重量高達30噸，功率達150kw，更有占據三個房間的龐大體積。隨著半導體技術的飛速發展，計算機又進入了晶體管時代和大規模/超大規模集成電路時代，速度不斷提升的同時，體積和耗電量也大為減小。如今，我們的計算機已經可以裝進背包，智能手機更是可以塞進口袋隨身攜帶。
半導體是現代計算機的基礎。從底層原理來看，它是通過晶體管開關或放大信號來實現邏輯控制，將二進制系統中的數字信息轉化為電信號。如果要實現更加復雜的運算，就需要更多的晶體管的互聯協同工作。這些由大量晶體管和周邊元件組成的，實現某項功能的電路集合，就是集成電路。因此，半導體給人們最直觀的展現形式，就是各類的芯片，例如電腦中的CPU、內存條上的DRAM和固態硬盤上的NAND等。
晶體管是半導體芯片中的最小單元，因此一塊芯片的晶體管數量，也被認為是芯片性能的最直觀展現，半導體行業著名的“摩爾定律”更揭示了信息技術進步的速度。例如早年6MHz頻率80286PC處理器，僅包含13400個晶體管，而如今，三星半導體出品的Exynos手機處理器晶體管數量已超過百億，主頻更經達到了2GHz以上。半導體技術的進步，讓計算機（包括智能手機）性能不斷提升的同時，體積也不斷減小，成我們大多數不可或缺的工具。
晶體管的演變
持續創新是摩爾定律的重要基礎，但每一項改進都伴隨著權衡取舍。要理解這些權衡以及它們為什么必然將我們引向3D堆疊CMOS，我們需要了解一點晶體管運行的背景知識。
每種金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）都有一套相同的基本部件：柵極疊層、溝道區、源極和漏極。源極和漏極經過化學摻雜后會富含移動電子（n型）或者缺乏移動電子（p型）。溝道區的摻雜情況則與源極和漏極相反。
在2011年之前的先進微處理器所使用的平面晶體管中，MOSFET的柵極疊層位于溝道區正上方，目的是將電場投射到溝道區中。向柵極施加足夠大的電壓（相對于源極）會在溝道區產生一層移動電荷載流子，從而允許電流在源極和漏極之間流動。
隨著傳統平面晶體管的尺寸縮小，器件物理學家稱為短溝道效應的器件占據了中心位置。總的來說，由于源極和漏極之間的距離變得非常小，電流會在不應該泄漏的時候漏過溝道，因為柵電極會千方百計耗盡溝道中的電荷載流子。為了解決這個問題，業界轉向了一種完全不同的晶體管架構：鰭式場效應晶體管（FinFET）。它從三面將柵極包裹在溝道周圍，以實現更好的靜電控制。
2011年，英特爾推出了22納米節點的FinFET，以及第三代酷睿處理器，之后，該器件架構一直是摩爾定律的主力。有了FinFET，我們能夠在更低的電壓下工作并進一步減少泄露，與上一代平面架構相比，在同等性能水平下，功耗可降低約50%。FinFET的切換速度也更快，性能提高了37%。由于導電發生在“鰭”的兩個垂直面上，所以與只沿一個表面導電的平面器件相比，這種器件可以驅動更多的電流通過給定面積的硅。
不過，在轉向FinFET時，我們也有所舍棄。在平面器件中，晶體管的寬度是由光刻定義的，因此它是一個非常靈活的參數。但在FinFET中，晶體管寬度以離散增量的形式出現，一次增加一個鰭，這種特性往往被稱為“鰭量化”。FinFET雖然可能很靈活，但鰭量化仍然是一個重要的設計約束。它的設計規則和增加更多鰭片以提高性能的愿望會增加邏輯單元的總面積，而且會使將單個晶體管變成完整邏輯電路的互連堆疊變得更加復雜。這也增大了晶體管的電容，從而降低了其切換速度。因此，雖然FinFET作為行業的主力為我們提供了很好的服務，但我們仍然需要一種更加完善的新方法。正是這種方法將我們引向了下面即將介紹的3D晶體管。
RibbonFET是FinFET面世11年以來，我們的第一款新型晶體管架構。其中，柵極完全包圍著溝道，可實現對溝道內電荷載流子更嚴密的控制，溝道現在是由納米級的硅帶構成的。有了這些納米帶（也稱為“納米片”），我們又可以利用光刻技術按需改變晶體管的寬度了。
解決量化約束后，我們可以為應用打造適宜的寬度，進而得以平衡功耗、性能和成本。更重要的是，通過堆疊和并行操作納米帶，該器件可以驅動更多的電流，從而能夠在不增加器件面積的情況下大大提高性能。
我們認為RibbonFET是以合理的功率獲得更高性能的最佳選擇，將在2024年推出它們以及其他創新產品，如PowerVia，這是一種背面供電技術，采用了英特爾20A制造工藝。
堆疊CMOS
平面晶體管、FinFET和RibbonFET有一個共同點，即它們都采用了CMOS技術，如前所述，CMOS技術由n型（NMOS）和p型（PMOS）晶體管組成。20世紀80年代，CMOS邏輯成為了主流，因為它消耗的電流比替代技術（尤其是純NMOS電路）少得多。更少的電流能夠實現更高的工作頻率和更高的晶體管密度。
到目前為止，所有CMOS技術都是將標準NMOS和PMOS晶體管對并排放置。但在2019年IEEE國際電子設備會議（IEDM）的專題演講中，我們介紹了3D堆疊晶體管的概念，它將NMOS晶體管置于PMOS晶體管之上。次年，在2020年IEEE國際電子設備會議上，我們展示了第一個采用這種3D技術的邏輯電路設計，它是一款反相器。結合適當的互連，3D堆疊CMOS方法有效地將反相器的尺寸減半、面積密度加倍，并進一步推高了摩爾定律的極限。
利用3D堆疊的潛在優勢意味著要解決許多工藝集成挑戰，其中一些挑戰將拓展CMOS制造的極限。
我們利用“自對準工藝”制造了3D堆疊CMOS反相器，該工藝中，兩個晶體管均在同一個步驟中制造。這意味著需要通過外延（晶體沉積）構建n型和p型源極與漏極，并為兩個晶體管添加不同的金屬柵極。通過結合源極-漏極和雙金屬柵極工藝，我們能夠制造不同導電類型的硅納米帶(p型和n型)來構成堆疊的CMOS晶體管對。借助這種方法，我們還可以分別為頂部和底部的納米帶調整器件的閾值電壓（晶體管開始切換的電壓）。
我們是如何做到這一切的呢？自對準3D CMOS制造從硅晶圓開始。我們在晶圓上沉積了一層又一層的硅和硅鍺，這種結構稱為“超晶格”。然后，我們用光刻圖案來切除部分超晶格，留下一個鰭狀結構。超晶格晶體為后續工作提供了強大的支撐結構。
接下來，我們在超晶格中器件柵極所在的部分上方沉積了一塊“虛擬”多晶硅，以保護它們免受下一步操作的影響。這一步稱為“垂直堆疊雙源極/漏極工藝”，在頂部納米帶(未來的NMOS器件)的兩端添加摻磷硅，同時在底部納米帶（未來的PMOS器件）的兩端選擇性地添加硼摻雜硅鍺。之后，我們在源極和漏極周圍放置電介質，使它們彼此電隔離。后一步要求我們接下來對晶圓的平整度進行完美拋光。
最后，我們要構建柵極。首先，我們移除了先前放置的虛擬柵極，露出硅納米帶。接下來，只蝕刻掉硅鍺，釋放出一疊平行的硅納米帶，它們將成為晶體管的溝道區。然后，我們在納米帶的四周涂上一層具有高介電常數的極薄的絕緣層。納米帶溝道非常小，并且以這種方式放置，因此我們無法像平面晶體管那樣對它們進行有效的化學摻雜。相反，我們使用了金屬柵極的一種名為“功函數”的特性來賦予相同的效果。我們用一種金屬圍繞底部納米帶，形成了p摻雜溝道，用另一種金屬圍繞頂部納米帶，形成了n摻雜溝道。由此完成了柵極堆疊，也完成了兩個晶體管的組裝。
這個過程看起來很復雜，但優于另一種叫做“順序3D堆疊CMOS”的技術。后者將NMOS器件和PMOS器件構建在兩塊不同的晶圓上，并將二者連接起來，還將PMOS層轉移到NMOS晶圓上。相比之下，自對準3D工藝的制造步驟更少，對制造成本的控制更嚴格，我們曾在研究中證明過這一點并在2019年IEEE國際電子設備會議上介紹過。
重要的是，自對準方法還避免了連接兩個晶圓時可能發生的未對準問題。盡管如此，人們仍在探索順序3D堆疊，以促進硅與非硅溝道材料的集成，例如鍺和III-V族半導體材料。隨著將光電子和其他功能緊密整合在單一晶圓上的研究不斷推進，這些方法和材料可能會很重要。
新的自對準CMOS工藝及其創造的3D堆疊CMOS運行良好，且似乎有進一步小型化的巨大空間。在早期階段，這是非常鼓舞人心的。75納米柵極長度的器件展現了低泄漏、出色的器件可擴展性和高通態電流。另一個有前途的征兆是：我們已經制造出兩組堆疊器件之間最小距離僅為55納米的晶圓。雖然我們得到的器件性能結果本身并不是最佳紀錄，但它們確實可以與采用相同工藝在同一晶圓上制造的單個非堆疊控制器件媲美。
在開展工藝集成和實驗工作的同時，我們還在進行許多理論、仿真和設計研究，以期洞察如何以最好的方式利用3D CMOS。通過這些工作，我們發現了晶體管設計過程中的一些關鍵問題。尤其是，我們現在知道需要優化NMOS和PMOS之間的垂直間距，如果太短會增加寄生電容，如果太長則會增加兩個器件之間的互連電阻。這兩種極端情況都會導致電路變慢和功耗更高。
許多設計研究（如TEL美國研究中心在2021年IEEE國際電子設備會議上介紹的一項研究）都專注于在3D CMOS有限的空間內提供所有必要的互連裝置，并且不顯著增加其組成的邏輯單元的面積。TEL的研究表明，在尋找最佳互連方案方面有很多創新機會。該研究還強調，3D堆疊CMOS需要在器件上下都有互連。這種方案稱為“埋入式電源軌”，它采用了為邏輯單元供電但不攜帶數據的互連，并將其移至晶體管下方的硅片上。英特爾的PowerVIA技術正是這樣做的，該技術計劃于2024年推出，將在3D堆疊CMOS商業化過程中發揮重要作用。
摩爾定律的未來
有了RibbonFET和3D CMOS，我們就有了一條將摩爾定律延續至2024年以后的清晰道路。在2005年的一次采訪中，戈登?摩爾在被問及他的定律會變成什么樣時表示：“我不時驚訝于我們取得進展的能力。一路走來，有好幾次我都以為已經走到了盡頭，會逐漸停止，但我們具有創造力的工程師卻想出了解決辦法。”
隨著向FinFET的轉變和接踵而來的優化、目前RibbonFET的發展和最終3D堆疊CMOS的發展，以及無數與之相關的封裝改進，我們認為摩爾先生將再次感到驚訝。
