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互补场效应晶体管的结构和作用

中科院半导体所 来源:中科院半导体所 2025-01-24 10:03 次阅读

文章来源:半导体与物理

原文作者:jjfly686

随着半导体技术不断逼近物理极限,传统的平面晶体管(Planar FET)、鳍式场效应晶体管(FinFET)从平面晶体管到FinFET的演变,乃至全环绕栅或围栅(GAA, Gate-all-Around)全环绕栅极晶体管(GAAFET)等先进结构,在减少漏电、降低功耗方面虽然取得了显著成就,但进一步微缩的挑战日益显现。为了延续摩尔定律的发展趋势,并满足未来高性能计算的需求,业界正积极研发下一代晶体管架构——互补场效应晶体管(Complementary FET, CFET)。

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一、为什么需要CFET?

在过去的几十年里,传统的平面晶体管(Planar FET)、鳍式场效应晶体管(FinFET),乃至全环绕栅或围栅(GAA, Gate-all-Around)等先进结构,你始NMOS与PMON都是在一个平面上制造,这样无形减少了晶体管密度。在这种背景下,CFET则使用了NMOS与PMOS垂直空间上叠加。它不仅能够在更小的空间内实现更高的晶体管密度,还能够实现更佳的性能。

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二、CFET的结构

下图左图为FinFET的俯视结构图,中间为GAA的俯视图,GAA的NMOS与PMONS间距小于FinFET,但是再去减小NP间距的难度是极大的,所以CEFT就应运而生。如下图最右CEFT俯视结构,其中NMOS与PMOS两种不同导电类型的晶体管被垂直堆叠在一起,而不是像之前的逻辑工艺那样位于同一平面上,很大程度上增加了晶体管集成的密度。

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三、CFET的作用

增强电流驱动能力:通过优化晶体管的设计和布局,CFET互联可以实现更低的电阻和更高的电流导通能力,这对于提升芯片的工作速度有很大的提升。

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改善短沟道效应:在纳米尺度下,传统晶体管结构面临的主要问题是短沟道效应,这会导致漏电流增加及开关性能下降。而CFET采用的垂直堆叠结构能够有效缓解这些问题。

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四、CFET有哪些提升?

工艺尺寸微缩:IMEC的研究表明,凭借CFET晶体管技术,2032年将有望进化到5埃米(0.5nm),2036年则可能达到2埃米(0.2nm)。此外,CFET重新设定了缩放限制,因为nFET和pFET堆叠在一起,器件之间的np间距变为垂直而非水平,使得片材更宽,从而允许更大的有效沟道宽度。

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高性能与低功耗:在相同的功耗条件下,N2制程下的CFET相比于N3制程下的GAA纳米片晶体管,速度提升了约15%;而在相同的速度条件下,功耗则减少了大约30%,并且集成度达到了1.15倍。新的N2平台还采用了迄今为止最密集的SRAM后端互连(~38Mb/mm²)。

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原文标题:互补场效应晶体管(CFET)

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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