由于Covid-19，今年IEDM将在12月5日至18日这两周内以在线形式举办。在浏览了“ 2020 IEDM Technical Program”和“tip-sheet”之后，英特尔的两篇篇论文引起了我的注意，其中一篇是关于互补堆叠的纳米片晶体管，另一篇是关于使用反铁电（AFE）电容器的嵌入式DRAM。

NMOS-on-PMOS Nanoribbon Transistors

文章编号20.6, “3-D Self-aligned Stacked NMOS-on-PMOS Nanoribbon Transistors for Continued Moore’s Law Scaling", Cheng-Ying Huang, et al.

一直有人猜测，英特尔的5纳米工艺将是他们采用nanosheet / nanoribbon技术的成果，但是英特尔发表的关于该主题的会议论文很少。 

一年前，前英特尔公司的吉姆·凯勒（Jim Keller）发表了有关机器学习的演讲，并介绍了这种器件的发展，这很可能是我们在下一代中可以看到的：

图1 Jim Keller对器件演进的展望

鉴于此，很容易想到7纳米节点将具有24纳米鳍节距，而5纳米将是纳米片（而不是纳米线），论文20.6则展望了堆叠的纳米片阶段：

“我们展示了成功集成垂直堆叠的双源极/漏极和双金属栅极工艺的3-D自对准堆叠NMOS-on-PMOS多个Si-nanoribbon晶体管。NMOS和PMOS均展示了高性能和出色的短沟道控制能力。此外，还演示了具有平衡的电压传输特性的功能性CMOS反相器。这种新颖的晶体管架构有望继续推动摩尔定律的发展。”

使用垂直堆叠的双源极/漏极外延工艺，以及双金属栅极，可以同时调整P和N纳米管以及Vt。这提供了出色的静电特性–亚阈值摆幅小于75 mV/decade，而DIBL小于30 mV/ V（对于≥30 nm的栅极）。在下图中，左边为反相器的示意图，在右边的右上角是栅极的TEM横截面，下方是P-epi沟道，上面是N-epi的沟道。右下方是垂直沟道方向的截面图，显示了嵌入其中的N和P沟道。栅极长度为40 nm，我们可以看到纳米片宽度为13 nm，我估计约厚度约为5 nm。

图2，反相器示意图（左），栅极截面TEM图像（右上）和纳米片截面TEM图（右下）

下图的左侧展示了工艺流程，右上方是外延顺序的示意图，右下方是双金属栅极工艺流程。

图3，堆叠纳米片工艺流程示意图

请注意，下部的PMOS纳米片保持完整，但顶部的NMOS纳米片被去除（除了栅堆叠之内），然后N-epi在纳米片的根部上生长。使用的双重功函数材（WFM）需要先沉积P-WFM和钨（W），然后将W回蚀刻至N纳米片之下，而W覆盖P纳米片。然后形成N-WFM层，然后进行最终的W沉积和CMP。栅极长度≥ 30nm 时，W栅极填充应该没有问题。

理想情况下，我们希望PMOS沟道为SiGe，以获得更好的迁移率，但这会使初始Epi堆叠工艺和随后的沟道释放工艺变得复杂，因此这里我们采用Si PMOS器件的直接方法。英特尔还有另一篇关于SiGe PMOS纳米片的文章（2.2, “Gate-All-Around Strained Si0.4Ge0.6 Nanosheet PMOS on Strain Relaxed Buffer for High Performance Low Power Logic Application”, Ashish Agrawal, et al.），以及IBM（2.3 ,“Stacked Gate-All-Around Nanosheet pFET with Highly Compressive Strained Si1-xGex Channel”, Shogo Mochizuki, et al.），但它们不会出现在互补堆栈中。 

图4，Epi生长图像（上）；纳米片的TEM和TEM / EDS图像

上方第一行的SEM图像（b）显示了在底部纳米片上选择性生长的P-epi，然后图（c）显示了在顶部两个纳米片上选择性生长的N-epi。（d）中的正交视图具有SEM和SEM / EDS图像，这些图像显示了堆叠的纳米片晶体管上选择性的N-epi和P-epi生长。

在底行，图（b）是大概在第二次W沉积之前已形成WFM的纳米片的TEM截面图；（c）和（d）是双金属栅极的TEM / EDS图像，（c）在底部纳米片上显示P-WFM，在顶部两个纳米带上显示残留P-WFM，（d）在双金属栅上显示N-WFM在两个纳米片上。 

我们将不得不等到会议上才能看到性能特征，但这是一篇有趣的概念验证论文，它说明了在硅技术用尽之前还需要经过一些阶段。

Anti-ferroelectric Capacitor for 3-D Embedded-DRAM

文章编号28.1，“Anti-ferroelectric HfxZr1-xO2 Capacitors for High-density 3-D Embedded-DRAM”, Sou-Chi Chang, et al., Intel Corporation

再次引用文章摘要：

“ 基于3-D反铁电 HfxZr1-xO2电容器的eDRAM展示了：（i）10ns 读/写操作，（ii）低于1.8V的最大工作电压，（iii）数据保持时间长达1ms，（iv） 在80℃达到10E12个循环的耐久性。讨论了疲劳疲劳背后的机制，并提出了一种面向超高密度eDRAM的新颖架构。”

这不是英特尔第一次开发e-DRAM [1、2]，它实际上是在2014年与Haswell处理器一起推出的单独的芯片中，它被用作128 MB L4高速缓存，具有芯片大小约79平方毫米，与CPU共同封装。它具有一个COB（cell over bitline）堆叠，在金属电介质堆栈中使用MIM电容器，并在较低金属水平的电介质中形成空腔，并采用英特尔的22纳米工艺制造。

图5，英特尔22纳米，eDRAM堆栈的SEM横截面

MIM cap是由随着金属堆叠的建立而被蚀刻的腔内的TaN/TiN/ZrO/TiN/TiAlN/TaN层形成的。

图6，英特尔22纳米，电容器的TEM横截面

在该IEDM论文中，英特尔的研究人员使用反铁电（AFE）材料铪氧化锆（HfZrO2）形成了3D深沟电容器，作为潜在的嵌入式DRAM存储器单元。他们还尝试 了3D堆栈中的HfZrO2，其中一个字线晶体管并行访问四个AFE电容器。

图7，使用AFE HfZrO 2 电容器的1T-1C存储单元的TEM图像

在上面的TEM图像中，左侧是IEDM文章中的暗场，右侧是我将其反转为明场，标记了晶体管元件，并优化了对比度以尝试阐明我们在看什么。触点上方的垂直条纹是TEM样品制备技术的伪影。电容器本身在晶体管上方，因此尽管它可能是沟槽形的，但它不是常规的沟槽电容器（在基底中，IBM一直使用到14nm节点）。

电容器中心的钨塞很可能已连接到公共极板（common plate）上，尽管此处未显示。栅极的形状表明它是一个FinFET晶体管，但是我看不到任何鳍，所以也许这个样本是在场区拍摄的。这实际也是查看诸如栅极和电容器堆栈之类的结构的有用方法。

在下图显示的1T-4C堆栈中，公共极板似乎已移到电容器的外部，并且我们围绕着各个内部节点板有四个水平放置的极板（PL1-PL4）。该示意图表明，电容器的布局就像DRAM，两个电容器通过一对字线连接到共享位线。电容器已被隔离沟槽分成几行，公共极板通过阶梯结构接触，就像3D NAND堆栈一样。

图8，四个堆叠的垂直电容器的TEM图像（左）；1T-4C单元架构的横截面示意图（右）

我们在这里不知道该存储单元的任何尺寸，但是堆叠公共极板的能力必须具有显着的密度优势。如果存储特性良好，并且密度可以超过现有eDRAM的〜1.6 MB / mm2，那么我们可以在不久的将来看到其量产。

就像我们在简介中所说的那样，今年IEDM将以线上形式举办，时间表也大不相同。有关详细信息，请查看IEDM官网。 

参考文献:

• R. Brain et al., A 22nm High Performance Embedded DRAM SoC Technology Featuring Tri-gate Transistors and MIMCAP COB, Proc VLSI Symp 2013, pp. 16-17

• Y. Wang et al., Retention Time Optimization for eDRAM in 22nm Tri-Gate CMOS Technology, Proc IEDM 2013, pp. 240-243.