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接近超期服役,FinFET即将谢幕?

 自2012年出现以来,FinFET接近超期服役。在继续追求摩尔定律的道路上,FinFET渐渐显示出疲态。 3nm制程以下,需要研究新的晶体管结构。有几家半导体巨头早已着手开发基于下一代更小制程的新工

自2012年出现以来,FinFET接近超期服役。在继续追求摩尔定律的道路上,FinFET渐渐显示出疲态。uX8esmc

3nm制程以下,需要研究新的晶体管结构。有几家半导体巨头早已着手开发基于下一代更小制程的新工艺,在本篇文章中,ICViews展望了未来可能使用的新结构。虽然目前还不确定未来主流会是什么,但这几个新方式都极具创新性。uX8esmc

FinFET即将谢幕

FET的全名是场效电晶体(FET:Field Effect Transistor),大家最熟悉的莫过于MOSFET。MOSFET是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体(FET),科学家将它制作在硅晶圆上,是数字讯号的最小单位,一个MOSFET代表一个0或一个1,就是电脑里的一个位元(bit)。uX8esmc

但自MOSFET结构发明以来,到现在已经使用超过四十年,当闸极长度缩小到20纳米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的莫过于闸极长度越小,源极和漏极的距离越近,闸极下方的氧化物也就越薄,从而产生漏电。uX8esmc

因此美国加州大学伯克利分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor等三位教授发明了鳍式场效电晶体(FinFET:Fin Field Effect Transistor),把原本2D构造的MOSFET 改为3D的FinFET,因为构造很像鱼鳍,因此称为鳍式(Fin)。uX8esmc

英特尔自2012年在22纳米在芯片上,引入FinFET之后,全球半导体的都在此基础上研发。FinFET是将摩尔定律一直延伸到5nm的最有前途的器件技术。uX8esmc

它为平面CMOS缩小到20 nm时困扰的亚阈值泄漏、短沟道静电性能差和器件参数可变性高的问题提供了出色的解决方案。此外,它在低得多的电源电压下运行的能力扩展了电压缩放,这正在趋于平稳,并允许进一步节省急需的静态和动态功耗。uX8esmc

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约略估计电晶体技术节点(Technology Node)与闸极长度(Gate Length)uX8esmc

然而,当先进制程再微缩至3nm时,FinFET会产生电流控制漏电的物理极限问题。uX8esmc

高层数通道堆叠的GAA

当摩尔定律逼近极限时,不同巨头探索不同的前进方向。对于2nm技术节点的晶体结构,台积电在2021 ISSCC国际会议上展示了三层堆叠的stacked nanosheets,可以提供更佳的性能和更低的次临界摆幅。uX8esmc

英特尔宣布将在2024年将以Ribbon FET(垂直堆叠四层的nanoribbons,与satcked nanosheets结构相似)作为20A技术节点的结构。uX8esmc

可以看出,高层数通道的GAA晶体结构可能成为未来主流。uX8esmc

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法国半导体研究机构CEA-Leti 发表的七层垂直堆叠硅通道电晶体uX8esmc

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显示了纳米片结构从双堆叠结构到优化到单堆叠结构的演变uX8esmc

我们来看GAA本征电学性能,纳米片宽度比较小时(5nm),实际相当于纳米线,限制了能够通过的电流,性能会下降;而随着宽度的增大,能通过的有效电流增加,同时寄生电容也增加,但是电流增大速度高于电容,性能增加,并逐渐趋于饱和。uX8esmc

从AC特性上来看,当有源区宽度一定的情况下,纳米片的有效电流高于FinFET和纳米线,而寄生电容偏小,从而使纳米片器件速度高于FinFET和纳米线。同时,在相同的投影面积下,纳米片的有效宽度大于FinFET和纳米线,更有能力驱动电容性负载。uX8esmc

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GAA NS宽度和器件频率的关系

因此,GAA结构的静电学性能要优于FinFET。uX8esmc

实际上,任何新的晶体管技术都具有挑战性。根据上海微电子学院的分析,影响GAA关键的技术工艺包括沟道形成工艺、内侧墙工艺、底部寄生沟道、源漏寄生电阻/电源以及沟道应力设计。uX8esmc

2009年法国CEA-LETI研究所第一次演示了内侧墙工艺集成技术,结果显示该技术可以提供30%~40%的寄生电容减少,并且不会带来开关比损失。但该技术难点主要在于高选择比Si Ge的各向同性刻蚀,介质回刻技术,复杂条件下的选择性源漏外延技术等。uX8esmc

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内侧墙结构示意图 来源:《3nm以下节点堆叠环栅器件关键技术的考虑》uX8esmc

英特尔的Ribbon FET技术

我们来看看英特尔的Ribbon FET技术。uX8esmc

Ribbon FET技术是英特尔官方宣布的一种新晶体管技术。FinFET的想法是尽量用栅极围绕通道,但因为通道材料是底层半导体衬底的一部分,所以却无法让通道完全分离。uX8esmc

但是,Ribbon FET器件将通道从基地材料上抬高,形成一块栅极材料的通道线。由于通道线的形状像带状,因此被称为Ribbon FET,栅极完全围绕通道。这种独特的设计显著提高了晶体管的静电特性,并减小了相同节点技术的晶体管尺寸。uX8esmc

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来源:Intel AccelerateduX8esmc

Ribbon FET提供高度灵活的通道,可适应更多功率密集型应用。环绕栅极的FET架构允许更高的驱动电流控制,这在传统的硅MOSFET中是不存在的。uX8esmc

VTFET

在2021年底,三星和IBM公布了VTFET(垂直传输场效应晶体管)。uX8esmc

新的垂直传输场效应电晶体(VTFET)设计旨在取代FinFET技术,其能够让芯片上的电晶体分布更加密集。这样的布局将让电流在电晶体堆叠中上下流动。uX8esmc

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图像显示了电流如何流过传统晶体管(左)和新的VTFET设计(右)之间的差异 来源:IBMuX8esmc

相较传统将电晶体以水平放置,垂直传输场效应电晶体将能增加电晶体数量堆叠密度,并让运算速度提升两倍,同时借电流垂直流通,使电力损耗在相同性能发挥下降低85%。uX8esmc

此前,IBM宣布了2 纳米芯片技术的突破,这将使芯片能够在指甲大小的空间中容纳多达500亿个晶体管。VTFET创新专注于一个全新的维度,它为摩尔定律的延续提供了途径。uX8esmc

Forksheet FET 新潮流

实际上,在3nm节点以下,首选器件架构可能会再次变化,从纳米片变为堆叠叉片架构。IMEC则偏向Forksheet。uX8esmc

在2019年国际电子设备制造大会上,IMEC介绍了其叉板晶体管概念,IMEC的研究人员使用他们的2nm技术节点量化了叉板结构的功率性能优势。uX8esmc

这种新的FET为一堆纳米片晶体管添加了一个自对准的栅极端电介质壁。总体而言,介电壁在NMOS和PMOS纳米片晶体管之间提供了隔离,允许在XY维度上更积极地封装晶体管。uX8esmc

通过将晶体管靠得更近,设计人员可以提高开关速度并降低功耗。uX8esmc

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半导体行业晶体管的演变 来源:IMECuX8esmc

与纳米片器件相比,它们在恒定功率下表现出10%的速度优势和在恒定速度下降低24%的功率。这种性能增益是通过减小电容和增加薄片宽度以改善电流的能力来实现的。uX8esmc

2021年6月,IMEC在VLSI技术和电路研讨会 (VLSI 2021) 上首次提供了功能叉板FET的电气演示。22 nm NMOS和PMOS晶体管仅相隔17 nm,但具有不同的功函数金属栅极。uX8esmc

以上,是关于晶体管未来可能使用的新结构。uX8esmc

当我们走在3nm的以下制程的路口,每个阶段都会出现不同的探索。不论是MOSFET、FinFET或者是GAA。一个时代需要一个时代的英雄,谢幕不意味着落后,只是代表这个时代已经过去。uX8esmc

我们还在探索延续摩尔定律的路径,在制程小数点之后的时代,究竟哪个技术将成为真正的主角,我们拭目以待。 uX8esmc

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