晶體管物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的兩類協(xié)同優(yōu)化技術(shù)探究

當(dāng)前，通過常規(guī)的晶體管尺寸微縮越來越難以獲得理想性能增益，每一次集成電路工藝的進步都凝聚著產(chǎn)業(yè)鏈上下各個環(huán)節(jié)的辛勞成果。加州大學(xué)圣迭戈分校研究團隊近期報導(dǎo)了針對CFET這一被認為是3nm以下必然采用的新型晶體管結(jié)構(gòu)進行的前沿研究，探究了晶體管物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的兩類協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，其成果有望加速CFET技術(shù)的成熟和應(yīng)用落地。

研究背景

隨著技術(shù)節(jié)點的不斷進步，已服役十年的FinFET集成電路器件，其工藝單元設(shè)計工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）*由于布線空間和p-n橫向排布間距受限而逐漸達到了工藝微縮的極限。因此，系統(tǒng)工藝協(xié)同優(yōu)化（STCO）*概念被提出來，其典型應(yīng)用代表是三維結(jié)構(gòu)的Complementary-FET （CFET）晶體管，這種新型結(jié)構(gòu)通過將p-FET堆疊在n-FET上實現(xiàn)工藝單元集成，減少單個工藝單元的面積占用。然而，CFET的標準單元（standard cell，以下采用文中簡稱“SDC”）設(shè)計要求從全局考慮以克服堆疊結(jié)構(gòu)帶來的高度限制，從而實現(xiàn)面積多小對晶體管性能最大化增益。

傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)與互補型堆疊晶體管結(jié)構(gòu)

針對CFET結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（以下簡稱UCSD）的研究團隊提出了一個基于可滿足模性理論（SMT）的CFET標準單元的綜合架構(gòu)，解決了后端布局布線的優(yōu)化問題。其成果以以“Complementary-FET （CFET） Standard Cell Synthesis Framework for Design and System Technology Co-Optimization Using SMT”為題發(fā)表于IEEE Transactions on VLSI Systems，UCSD計算機科學(xué)與工程學(xué)院與電子計算機工程學(xué)院聯(lián)合團隊的Chung-Kuan Cheng（陳中憲）、Chia-Tung Ho、Daeyeal Lee， Bill Lin， and Dongwon Park五人為共同通訊作者。

*設(shè)計工藝協(xié)同優(yōu)化，全稱Design Technology Co-optimization，是指芯片設(shè)計與制造共同合作，合作適配最適合芯片設(shè)計的晶體管結(jié)構(gòu)和工藝的整體優(yōu)化方案，以達到器件PPAC最優(yōu)解的一種研發(fā)合作模式。

*系統(tǒng)工藝協(xié)同優(yōu)化，全稱System Technology Co-optimization，是指在系統(tǒng)集成層次進行優(yōu)化的技術(shù)概念，一般STCO與系統(tǒng)級設(shè)計意義相近，即在先進封裝中實現(xiàn)對die-to-die互連線路的微縮優(yōu)化，而本文中討論的則是單元（Cell）級內(nèi)部線路優(yōu)化和后道工藝中區(qū)塊級（block-level）布線優(yōu)化。

*Complementary-FET，一種新型晶體管結(jié)構(gòu)，通過在垂直方向堆疊p型和n型晶體管實現(xiàn)CMOS結(jié)構(gòu)。

*標準單元，standard cell是數(shù)字集成電路設(shè)計中最基本的邏輯單元。

*可滿足模性理論，Satisfiability Modulo Theories，簡稱SMT，數(shù)學(xué)理論概念，在SAT布爾表達式（由運算符AND、OR、NOT和“（）”構(gòu)成，又稱命題邏輯公式）可滿足性理論基礎(chǔ)上拓展了其他一階邏輯表達式，常用于計算機科學(xué)領(lǐng)域研究。

研究內(nèi)容

UCSD研究團隊開發(fā)了一個自動化CFET SDC綜合微縮框架，該框架支持track數(shù)量減少、設(shè)計規(guī)則改變和晶體管堆疊方案，優(yōu)化了不同CFET SDC結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)則，在以布通率為導(dǎo)向的研究思路下，最大限度利用了pin可達性（pin accessibility）和布通率（routability）。

除此之外，團隊還研究了集成CSP問題*的SMT解決方案、針對MPL（最小I/O引腳長度）和MPO（最小I/0引腳孔）的單元優(yōu)化技術(shù)等工作，并分析了p-on-n和n-on-p結(jié)構(gòu)下2-4T布線高度*對于器件結(jié)構(gòu)的影響并與傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)進行了對比，以及DTCO在前沿技術(shù)節(jié)點中各類優(yōu)化手段與后端工藝實現(xiàn)結(jié)果的相互作用。

*CSP問題，全稱Constraint Satisfaction Problem，中文意為約束滿足問題，CSP問題將其問題中的單元（entities）表示成在變量上有限條件的一組同質(zhì)（homogeneous）的集合， 這類問題透過“約束補償方法”來解決，是人工智能和運籌學(xué)的熱門課題。

*布線高度，指一個標準單元的高度，用“數(shù)字+T”來表示，T指track，電信號的傳輸線路必須走在track上，數(shù)字表示track數(shù)量，即單元高度內(nèi)允許布線的數(shù)量。

優(yōu)化方案的整體框架

單元和模塊級的面積縮放增益對比：

左為單元面積變化；右為模塊級面積變化

研究團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)相比，微縮至3.5T高度的CFET結(jié)構(gòu)的平均單元面積和金屬長度分別減少了10.94%和21.27%，模塊級平均面積減少了15.10%，并且大幅降低了DRV（Design Rule Violation）。

前景展望

文章介紹了沿著當(dāng)前先進制程主要的三大實現(xiàn)路徑，即：新器件結(jié)構(gòu)、DCTO協(xié)同優(yōu)化和系統(tǒng)級設(shè)計三個方向，針對CFET以及實現(xiàn)這一前沿新型晶體管結(jié)構(gòu)性能增益必要的兩大協(xié)同優(yōu)化技術(shù)進行了探究。繼IMEC等研究領(lǐng)域的排頭兵提出和驗證了新結(jié)構(gòu)的可行性，業(yè)界已經(jīng)認可了CFET的應(yīng)用前景并全面跟進，包括英特爾、臺積電-臺灣TSRI-日本AIST、應(yīng)用材料等企業(yè)和研究機構(gòu)都開始著手布局相關(guān)的研究和技術(shù)儲備，在常規(guī)的晶體管尺寸微縮越來越難以獲得理想的性能增益的情況下，每一次集成電路工藝的進步都凝聚著產(chǎn)業(yè)鏈上下各個環(huán)節(jié)的研究成果，我們也期待著CFET等新技術(shù)的研發(fā)成功和應(yīng)用落地那一天盡快到來。

原文標題：科研前線 | 未來會來嗎？摩爾定律大殺器CFET研究又有新成果

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