幾年前，IBM 將其半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)出售給 GLOBALFOUNDRIES，但他們?nèi)栽趭W爾巴尼納米技術(shù)公司擁有價值數(shù)十億美元的研究設(shè)施。IBM 在諸如 IEDM 之類的會議上非常活躍，而且這似乎有一個很好的光管地方，因?yàn)樗麄冊谶@里公布的研究成果得到了很多媒體的關(guān)注。
在 2019 年的 Litho Workshop 上，我聽到了來自IBM Albany 研究小組的演講，他解釋說 IBM 必須擁有研究線，因?yàn)樗麄冃枰钕冗M(jìn)技術(shù)的處理器來支持他們的設(shè)備運(yùn)行。我個人質(zhì)疑這個觀點(diǎn)，奧爾巴尼研究小組與三星合作，支持三星投產(chǎn)的 5nm 工藝。
筆者認(rèn)為，三星的 5nm 工藝與臺積電的 5nm 工藝相比，功耗、性能和密度都相對較差。我確信在支持 IBM 的過程中有特殊功能，但我也確信無需數(shù)十億美元的研究投資也可以在臺積電流程中實(shí)現(xiàn)相同的功能。我還認(rèn)為有趣的是，他們說在開發(fā)過程中他們調(diào)高了 EUV 劑量（dose），直到獲得良好的良率，然后他們將其轉(zhuǎn)移給三星，期望三星減少 EUV 劑量。當(dāng)三星開始加速他們的 5nm 工藝時，業(yè)界有傳言稱三星無法通過他們的 EUV 工具獲得足夠的晶圓（高 EUV 劑量導(dǎo)致低產(chǎn)量）并且產(chǎn)量很低。
IBM 每隔幾年也會通過一些新的發(fā)展在主流媒體上引起轟動，但在我看來，很多發(fā)展并沒有達(dá)到炒作的效果。例如，IBM 在 2021 年初宣布開發(fā) 2nm 技術(shù)，但正如我之前所寫的那樣，它更像臺積電的 3nm 工藝而不是 2nm，與英特爾和臺積電預(yù)期的 2nm 工藝相比，不太可能具有競爭力。
這并不是說 IBM 不做重要的研究，幾年前他們負(fù)責(zé)包括銅金屬化在內(nèi)的許多關(guān)鍵行業(yè)創(chuàng)新，我只是質(zhì)疑數(shù)十億美元的半導(dǎo)體研究設(shè)施對于不生產(chǎn)半導(dǎo)體的公司是否有意義.
在本文中，我將討論 IEDM 的三篇 IBM 論文。
第一篇，垂直傳輸納米片技術(shù)，用于超越橫向傳輸器件的 CMOS 縮放
在我看來，這篇論文是 IBM 典型的一個范例，我不希望他們辜負(fù)這個炒作。在這個論文中，作者指出，這項(xiàng)工作是與三星合作完成的。主流媒體已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于這個“突破”的消息，好像這將是一個生產(chǎn)解決方案。
圖 1 說明了垂直傳輸納米片 (VTFET) 工藝。
這里的基本思想是不是在水平方向上制造納米片，而是將它們變成垂直方向。在該論文中，垂直納米片與 FinFET 進(jìn)行了比較，并顯示提供更好的性能和面積。我看到這有兩個問題。
首先，我的理解是垂直晶體管非常適合 SRAM 的使用，其中互連需求簡單且規(guī)則，但不適用于具有復(fù)雜互連需求的隨機(jī)邏輯設(shè)計(jì)。Imec 之前展示了一些非常有趣的垂直 SRAM 工作，盡管它似乎沒有在行業(yè)中獲得任何關(guān)注。隨著小芯片的出現(xiàn)，提供卓越密度的簡單 SRAM 工藝非常有意義。但是再一次，對于邏輯用途，垂直晶體管面積可能會增加很多以適應(yīng)互連要求。
我看到的第二個問題是將它與 FinFET 進(jìn)行比較。從 FinFET 到堆疊水平納米片 (horizontal nanosheets：HNS) 的轉(zhuǎn)變已經(jīng)在進(jìn)行中。HNS 提供了優(yōu)于 FinFET 的密度和性能優(yōu)勢，但更重要的是提供了長期的擴(kuò)展路徑。HNS 可以通過垂直堆疊更多片材來提高性能，它們還提供了引入介電壁（dielectric wall ）的機(jī)會，創(chuàng)造了一種名為 Forksheets 的 Imec 創(chuàng)新，減少了 n 到 p 的間距。除此之外，在 3D-CMOS/CFET 架構(gòu)中堆疊 n 和 p HNS 可提供更多的縮放比例，且水平 n 到 p 間距為零。除了 HNS，這些薄片還可以被 2D 材料替代，從而提供更大的縮放比例。驅(qū)動電流以及垂直鰭片的性能是由鰭片尺寸驅(qū)動的，我看不出這些設(shè)備如何像 HNS 那樣擴(kuò)展。
第二篇，下一代高性能計(jì)算納米片技術(shù)的關(guān)鍵要素
在我看來，這篇論文比上一篇更有趣，因?yàn)樗鉀Q了所有主要前沿邏輯供應(yīng)商都面臨的 HNS 技術(shù)問題。IBM 過去在 HNS 方面做了很多出色的工作，本文以此為基礎(chǔ)。
本文解決了兩個 HNS 問題。
第一個問題是 HNS 的 pFET 遷移率很差。IBM 之前已經(jīng)描述了兩種提高 pFET 遷移率的技術(shù)，一種是在釋放后修整溝道并沉積 SiGe 覆層。另一種技術(shù)是在應(yīng)變松弛緩沖層（strain relaxed buffer layer）上制造溝道。
在本文中，SiGe 通道是通過在沉積原始納米片堆疊時在較高 Ge 含量犧牲層上沉積較低 Ge 含量通道而形成的。Ge 含量的差異是為了啟用選擇性釋放蝕刻，蝕刻掉犧牲膜并保持通道完好無損。SiGe 通道提供了改進(jìn)的遷移率、改進(jìn)的性能和更高的可靠性。
圖 2 說明了 SiGe 通道 HNS pFET。
這里解決的第二個問題是如何為 HNS 實(shí)現(xiàn)多個均勻的閾值電壓 (Vts)。對于 FinFET，鰭到鰭的距離相對較寬，并且可以通過沉積和選擇性去除多種功函數(shù)金屬來實(shí)現(xiàn)多個 Vts。使用 HNS，片到片 (Tsus) 的間距非常小，以至于沒有足夠的空間容納一整堆功函數(shù)金屬。金屬也往往在 NS 外側(cè)更厚，在納米片之間更薄，導(dǎo)致 Vts 不均勻。
IBM 在十多年前率先使用偶極子（dipoles）來控制 VT，該技術(shù)現(xiàn)在正受到 HNS 的廣泛關(guān)注，因?yàn)榕紭O子可以通過摻雜高 k 電介質(zhì)來產(chǎn)生，并且不需要像多功函數(shù)金屬那樣需要額外的厚度. 偶極子還可以解決 Vt 非均勻性問題。
圖 3 說明了功函數(shù)金屬如何導(dǎo)致 Vts 不均勻以及無體積偶極子如何解決該問題。
用于高級邏輯技術(shù)的基于堆疊式全方位納米片架構(gòu)的后柵極 I/O 晶體管
我想討論的第三篇論文是另一篇研究 HNS 問題的論文。
HNS 實(shí)施的另一個挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)建可以在更高電壓下工作的 I/O 晶體管。在本文中，后柵極工藝流程結(jié)合了沉積氧化物和新型選擇性氧化，產(chǎn)生了兩種不同的柵極氧化物厚度。選擇性氧化產(chǎn)生厚和薄的選擇性氧化物，它們被添加到沉積的氧化物中。該技術(shù)的關(guān)鍵在于，生長的氧化物在氧化過程中會消耗硅，因此較厚的生長氧化物比生長的薄氧化物消耗更多的硅，從而打開片間間距 (Tsus) 以容納較厚的氧化物。
圖 4 顯示了厚和薄柵氧化層 HNS 器件以及改進(jìn)的 Tsus 以適應(yīng)厚氧化層。
盡管媒體大肆宣傳 IBM 在 IEDM 上發(fā)布的 Vertical-Transport Nanosheet，但我們認(rèn)為 IBM 完善 HNS 流程的工作更有可能對行業(yè)產(chǎn)生影響。pFET 溝道遷移率、體積更小的 Vt 解決方案和高壓 I/O 解決方案解決了業(yè)界目前正在努力解決的從 FinFET 到 HNS 過渡的問題。