結(jié)構(gòu)3D化、材料變二維，速覽晶體管技術(shù)新風(fēng)向。芯東西12月24日報(bào)道，隨著芯片制程演進(jìn)愈加艱難，晶體管微縮正面臨物理極限的天花板。但英特爾、東京電子等芯片供應(yīng)鏈巨頭已將制程路線圖推進(jìn)到埃米一級（1 Å=0.1nm=10^-10 m），甚至計(jì)劃在原子級別上構(gòu)建新的晶體管。今年以來，臺積電、英特爾、三星等半導(dǎo)體巨頭都在晶體管結(jié)構(gòu)和二維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域發(fā)布了重量級的研究成果，誰也不肯落后對手一步。臺積電在5月份剛剛發(fā)布用半金屬鉍解決二維半導(dǎo)體材料高電阻問題的研究，英特爾就在剛剛結(jié)束的IEEE國際電子器件會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上發(fā)布了基于另外兩種半金屬的二維半導(dǎo)體材料研究。此外，英特爾、三星和IBM也在IEDM這一頂級半導(dǎo)體、電子論壇上發(fā)表了新的晶體管研究進(jìn)展。隨著芯片制程的不斷演進(jìn)，誰能先對手一步實(shí)現(xiàn)晶體管微縮，誰就能掌握未來芯片乃至科技領(lǐng)域的話語權(quán)，這場競爭甚至可能決定誰是未來十年的芯片霸主。芯東西將通過今年最新的晶體管結(jié)構(gòu)和二維半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展，揭示在埃米級別的晶體管結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)這場凝聚人類技術(shù)結(jié)晶的競爭。本文福利：芯片制程的演進(jìn)越來越困難，后摩爾時(shí)代該如何應(yīng)對？推薦精品報(bào)告《新封裝、新材料、新架構(gòu)驅(qū)動后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展》可在公眾號聊天欄回復(fù)關(guān)鍵詞【芯東西202】獲取。 bYwe/sR  
01.從平面到立體，英特爾實(shí)現(xiàn)55nm柵極間距自對準(zhǔn)3D晶體管 7
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晶體管作為芯片中最基本的單元，其結(jié)構(gòu)革新一直是芯片制程演進(jìn)的重要方向。作為此前的芯片霸主，英特爾一直在探索最新的芯片制程。在英特爾內(nèi)部，有一個(gè)名為英特爾組件研究的部門專注于前沿研發(fā)，該團(tuán)隊(duì)被稱作“英特爾技術(shù)研發(fā)部門中的研究團(tuán)隊(duì)”，也是今年在IEDM會議上英特爾論文的作者。今年IEDM英特爾在硅基3D堆疊的RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)和依序堆疊的CFET晶體管結(jié)構(gòu)上都取得了研究進(jìn)展，為了方便理解，英特爾給出了一個(gè)比較詳細(xì)的演進(jìn)過程。自2011年FinFET結(jié)構(gòu)被推出以來，晶體管結(jié)構(gòu)就從平面逐漸走向了3維，這也是行業(yè)中普遍采用的一種方案。 r<pt_Cd  
▲傳統(tǒng)的平面晶體管結(jié)構(gòu)（左）和FinFET晶體管結(jié)構(gòu)（右）（圖片來源：英特爾） /_i]bM7W  
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今年7月，英特爾公布了自己的RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)以及新的制程命名方案。RibbonFET是英特爾對Gate All Around（GAA，全環(huán)繞柵極）晶體管的實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃被用于英特爾20A節(jié)點(diǎn)上。 <ELqj2`
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▲RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)（圖片來源：英特爾） ZG)6
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雖然今年英特爾才正式發(fā)布了RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)，但其實(shí)英特爾早已開始探索和研究將PMOS和NMOS兩極垂直堆疊的晶體管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使晶體管面積縮小了一半。一般來說，實(shí)現(xiàn)3D堆疊的方式有兩種。一種是依序（sequential），即先把下面一層做好，在做上一層實(shí)現(xiàn)堆疊結(jié)構(gòu)；第二種是自對準(zhǔn)（Self-aligned），可以直接在一片晶圓上同時(shí)進(jìn)行兩層晶體管的制造。自對準(zhǔn)相比依序方法，其實(shí)現(xiàn)難度更高、工序更加復(fù)雜，但是應(yīng)用這種方法大規(guī)模生產(chǎn)的晶體管制造時(shí)間和成本更低。早在2019年，英特爾就發(fā)布了一篇將硅基PMOS堆疊在氮化鎵NMOS的研究。同時(shí)，英特爾還推出了一種將鍺基（Ge）RibbonFET PMOS依序堆疊在了硅基FinFET NOMS上的CFET（互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)。 v<E_n;@9k  
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▲英特爾2019年發(fā)布的兩種晶體管結(jié)構(gòu)（圖片來源：英特爾） W