imec推單片式CFET功能元件 成功垂直堆疊金屬接點

2024 年 IEEE 國際超大型積體電路技術研討會（VLSI Symposium）本周舉行上，比利時微電子研究中心（imec）首次展示具備電性功能的 CMOS 互補式場效電晶體（CFET）元件，其採用垂直堆疊技術形成的底層與頂層源極／汲極金屬接點（contact）。

imec 說，雖然此次研究的成果都在晶圓正面進行接點圖形化，不過也展示改從晶圓背面處理接點圖形的可行性，這能大幅提升頂層元件的存活率，將其從 11% 提升到 79%。

imec 規劃的邏輯技術藍圖預計將在 7 埃米（A7）的技術節點引進 CFET 元件結構。利用輔助的先進佈線技術，CFET 可望把標準單元的軌道高度從 5 軌降到 4 軌，甚至更低，同時確保元件的性能無損。在用來垂直堆疊 nMOS 與 pMOS 元件的不同做法中，單片式整合與現有的奈米片製程相較，屬於最不具破壞性的技術。

imec 此次展示具備底／頂兩層堆疊接點的單片式 CFET 功能元件，這些 CFET 元件以 18 奈米的閘極寬度進行整合，閘極間距為 60 奈米，n 型與 p 型元件的垂直距離為 50 奈米。測試元件驗證了這款元件的電氣性能，該測試元件包含共用一個閘極的 n 型與 p 型場效電晶體，以及從晶圓正面進行連接的頂層與底層金屬接點。

imec 此次提出的這套製程包含兩個 CFET 專用模組，包括中間介電隔離層（middle-dielectric isolation，MDI）、底層與頂層堆疊接點。

中間介電層（MDI）是 imec 領先開創的製程模組，用來隔離頂層及底層閘極，並區分 n 型與 p 型元件的臨界電壓值。MDI 模組的設計基礎是針對 CFET 元件的「主動式」矽／矽鍺（SiGe）多層堆疊進行調整。這套模組可以實現內襯層的共整合—內襯層是奈米片結構的特有特色，用來隔絕閘極與源極／汲極。

imec CMOS 元件技術計畫主持人 Naoto Horiguchi 表示，此次採用中間介電層優先（MDI-first）的做法，在製程控制方面取得最佳成果，也就是在進行源極／汲極蝕刻之前，在奈米片與中間介電層（MDI）之間劈開通往通道側壁的空間，然後進行源極／汲極的磊晶成長。運用一種搭配『原位覆蓋技術（in-situ capping）』的創新方法，在蝕刻源極／汲極時就能保護閘極硬光罩／閘極隙壁，實現中間介電層優先（MDI-first）製程。

第二個關鍵模組是以垂直堆疊的方式來製出元件底層及頂層的源極／汲極接點，並在垂直方向實現介電隔離。主要的步驟包含：底層接點在填充金屬之後重新蝕刻，接著填充介電材料，然後再次蝕刻，與處理 MDI 堆疊的狀況相同，這些過程都是在相同尺寸的有限空間下進行。

Naoto Horiguchi 表示，在研究從晶圓正面來連接元件底層接點時，面臨許多挑戰，這些挑戰影響了底層接點的電阻，還限制了頂層源極／汲極元件製造的製程操作容許範圍（process window）。

在 2024 年 VLSI 會議上，imec 展示把底層接點製程轉移到晶圓背面進行的可行性，儘管這會需要多做幾個步驟來處理晶圓接合及薄化，但是頂層元件的存活率從 11% 攀升到 79%，這能吸引業界考慮從晶背處理底層接點的製程方案。目前的研究還在努力找出最佳的接點佈線技術。