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IEDM（国际电子器件会议）是全球最大的半导体器件技术和工艺技术国际会议。这次，我们将简要介绍「存储器」以外领域的著名讲座。这些领域包括「下一代 CMOS」、「将器件构建到多层布线工艺中的技术」、「传感器内计算技术」、「宽间隙器件」和「图像传感器」。有不少关于「下一代 CMOS」的著名讲座。因此，我们将它们分为「互补 FET」、「2D 材料」和「多层布线」子类别，按顺序进行介绍。

将构成 CMOS 的两个 FET 堆叠起来，将硅面积减少一半

第一个是「下一代 CMOS 逻辑」领域中的「互补 FET(CFET)」。CMOS 逻辑电路由至少两个晶体管组成：一个 n 沟道 MOSFET 和一个 p 沟道 MOSFET。晶体管数量最少的逻辑电路是反相器（逻辑反相电路），由 1 个 n 沟道 MOS 和 1 个 p 沟道 MOS 组成。换句话说，它需要相当于两个晶体管的硅面积。

CFET 是这两种类型 MOSFET 的三维堆叠。理论上，可以使用一个 FET 占用的硅面积来创建 CMOS 逻辑。与传统 CMOS 相比，硅面积减半。但制造工艺相当复杂，挑战重重，打造难度较大。

在 IEDM2023 上，CFET 研发取得了重大进展。台积电和英特尔均推出了单片堆叠下层 FET 和上层 FET 的 CMOS 电路。台积电演示了一个 CFET 原型，该原型将 n 沟道 FET 单片堆叠在 p 沟道 FET 之上。所有 FET 均具有纳米片结构。栅极间距为 48nm。制造成品率达 90% 以上。目前的开/关比超过 6 位数。

英特尔设计了一个 CFET 原型，将三个 n 沟道 FET 单片堆叠在三个 p 沟道 FET 之上。所有 FET 均具有纳米带结构（与纳米片结构基本相同的结构）。我们制作了栅极间距为 60nm 的 CMOS 反相器原型并确认了其运行。

采用二维材料制成 GAA 结构的纳米片通道

下一代 CMOS 逻辑晶体管的另一个有希望的候选者是通道是过渡金属二硫属化物 (TMD) 化合物的二维材料（单层和极薄材料）的晶体管。当 MOSFET 的沟道尺寸缩短时，「短沟道效应」成为一个主要问题，其中阈值电压降低且变化增加。减轻短沟道效应的一种方法是使沟道变薄。TMD 很容易形成单分子层，原则上可以创建最薄的通道。

TMD 沟道最初被认为是一种用于小型化传统平面 MOSFET 的技术（消除了对鳍结构的需要）。最近，选择 TMD 作为环栅（GAA）结构的沟道材料的研究变得活跃。候选通道材料包括二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）。

包括台积电等在内的联合研究小组开发了一种具有纳米片结构的 n 沟道 FET，其中沟道材料被 MoS2 单层取代。栅极长度为 40nm。阈值电压高，约为 1V（常关操作），导通电流约为 370μA/μm（Vds 约为 1.0V），电流开关比为 10 的 8 次方。

imec 和英特尔的联合研究团队使用 300mm 晶圆上的 2D 沟道候选材料制造了原型 n 沟道 MOS 和 p 沟道 MOS，并评估了它们的特性。候选材料有 MoS2、WS2 和 WSe2。MoS2 单层膜适用于 n 沟道 FET，WSe 多层膜适用于 p 沟道 FET。

包括台积电等在内的联合研究小组开发出一种二维材料晶体管，其电流-电压特性与 n 沟道 FET 和 p 沟道 FET 相同（10-1）。MoS2（一种 n 沟道材料）和 WSe2（一种 p 沟道材料）在蓝宝石晶圆上生长，并逐个芯片转移到硅晶圆上。此外，英特尔还原型制作了具有 GAA 结构的二维材料沟道 FET，并在 n 沟道和 p 沟道上实现了相对较高的迁移率。

石墨烯、钌和钨将取代铜 (Cu) 互连

多层布线是支持 CMOS 逻辑扩展的重要基础技术。人们担心，当前流行的铜（Cu）多层互连的电阻率将由于小型化而迅速增加。因此，寻找金属来替代 Cu 的研究非常活跃。候选材料包括石墨烯、钌 (Ru) 和钨 (W)。

台积电将宣布尝试使用石墨烯（一种片状碳同素异形体）进行多层布线。当我们制作不同宽度的互连原型并将其电阻与铜互连进行比较时，我们发现宽度为 15nm 或更小的石墨烯互连的电阻率低于铜互连的电阻率。石墨烯的接触电阻率也比铜低四个数量级。将金属离子嵌入石墨烯中可以改善互连的电性能，使其成为下一代互连的有前途的材料。

imec 制作了高深宽比 (AR) 为 6 至 8、节距为 18nm 至 26nm 的 Ru 两层精细互连原型，并评估了其特性。制造工艺为半镶嵌和全自对准过孔。在 AR6 中原型制作宽度为 10nm（对应间距 18nm 至 20nm）的 Ru 线测得的电阻值低于 AR2 中模拟的 Cu 线的电阻值。

应用材料公司开发了一种充分利用 W 的低电阻互连架构。适用于 2nm 以上的技术节点。我们充分利用 W 衬垫、W 间隙填充和 WCMP（化学机械抛光）等基本技术。

将存储器等元件纳入多层布线过程

一种有些不寻常的方法是研究多层互连过程（BEOL）中的存储器等构建元件。多层布线下面通常是 CMOS 逻辑电路。因此，理论上，BEOL 中内置的元件不会增加硅面积。它是提高存储密度和元件密度的一种手段。

斯坦福大学和其他大学的联合研究小组将提出在多层逻辑布线工艺中嵌入氧化物半导体 (OS) 增益单元晶体管型存储元件的设计指南。操作系统选择了氧化铟锡 (ITO)FET。我们比较了 OS/Si 混合单元和 OS/OS 增益单元。

imec 开发了 MRAM 技术，可将自旋轨道扭矩 (SOT) 层和磁隧道结 (MTJ) 柱减小到大致相同的尺寸 (39-3)。它声称可以将功耗降低到传统技术的三分之一，将重写周期寿命延长 10 的 15 次方，并减少存储单元面积。

加州大学洛杉矶分校率先集成了压控 MRAM 和 CMOS 外围电路 (39-4)。MRAM 的切换时间极短，为 0.7ns（电压 1.8V）。原型芯片的读取访问时间为 8.5ns，写入周期寿命为 10 的 11 次方。

将计算功能纳入传感器中

我还想关注「传感器内计算技术」，它将某种计算功能集成到传感器中。包括旺宏国际在内的联合研究小组将展示基于 3D 单片集成技术的智能图像传感器。采用 20nm 节点 FinFET 技术，将类似于 IGZODRAM 的存储层单片层叠在 CMOS 电路层的顶部，并在其顶部层叠由二维材料 MoS2 制成的光电晶体管阵列层。光电晶体管阵列的布局为 5x5。

西安电子科技大学和西湖大学的联合研究小组设计了一种光电神经元，由一个光电晶体管和一个阈值开关组成，用于尖峰神经网络。对连续时间内的传感信号（光电转换信号）进行压缩编码。

在硅晶圆上集成 GaN 功率晶体管和 CMOS 驱动器

对于能带隙比 Si 更宽的化合物半导体器件（宽禁带器件），在 Si 晶圆上制造氮化镓 (GaN) 基 HEMT 的运动十分活跃。英特尔在 300mm 硅晶圆上集成了 GaN 功率晶体管和 CMOS 驱动器。CMOS 驱动器是 GaN 增强型 n 沟道 MOSHEMT 和 Sip 沟道 MOSFET 的组合。用于 GaN 层的 Si 芯片使用 (111) 面。对于 SiMOSFET，将另一个（100）面的硅芯片粘合在一起，只留下薄（100）层，用作沟道。

CEA Leti 开发了用于 Ka 波段功率放大器的 AlN/GaN/Si MIS-HEMT。兼容 200mm 晶圆 Si CMOS 工艺。通过优化 SiN 栅极绝缘膜原型制作的 HTMT 的 ft 为 81GHz，fmax 为 173GHz。28GHz 时的 PAE（功率负载效率）极高，达到 41%（电压 20V）。假设我们已经实现了与 GaN/SiC 器件相当的性能。

6400 万像素、像素尺寸为 0.5μm 见方的小型 CMOS 图像传感器

在图像传感器中，显著的成果包括像素数量的增加、像素尺寸的减小、噪声的减少以及自动对焦功能的进步。三星电子已试制出具有 6400 万像素、小像素尺寸为 0.5μm 见方的高分辨率 CMOS 图像传感器。

使用铜电极混合键合堆叠三个硅芯片，并为每个像素连接一个光电二极管和后续电路。与传统型号相比，RTS（随机电报信号）噪声降低了 85%，FD（浮动扩散）转换增益提高了 67%。

OmniVision Technologies 开发了一款 HDR 全局快门 CMOS 图像传感器，其像素间距为 2.2μm。它是通过将两片硅片粘合在一起而制成的。FPN（固定模式噪声）为 1.2e-（rms 值），时间噪声为 3.8e-（rms 值）。

佳能已经推出了双像素交叉 CMOS 图像传感器原型，其中一对光电二极管以 90 度扭转排列。通过全方位相位差检测执行自动对焦 (AF)。AF 的最低照度低至 0.007lux。

关键词： CMOS