解鎖下一代制程工藝的鑰匙

晶體管數(shù)量和摩爾定律

我們都知道，一顆芯片的性能強(qiáng)弱，以及整合功能的多寡，在很大程度上就取決于單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量。晶體管數(shù)量越多，往往就意味著更強(qiáng)的性能和更豐富的功能。以麒麟9000為例（圖1），這顆5GSoC在臺(tái)積電5nm制程工藝的幫助下，在指甲蓋大小的芯片面積里就塞進(jìn)了高達(dá)153億個(gè)晶體管。

換句話說，如果一顆S oC（包含其他領(lǐng)域的半導(dǎo)體芯片）可以在相同面積里塞進(jìn)200億甚至更多的晶體管，其性能自然可以更近一步，而這也恰好印證了摩爾定律的描述——“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18 個(gè)～24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍”。

然而，就好像我們往氣球里注水，一旦超過某個(gè)閾值，等待它的就只有被撐爆的命運(yùn)。一顆芯片的單位面積上可以容納多少數(shù)量的晶體管，自然也存在一個(gè)閾值上限，而影響這一指標(biāo)的關(guān)鍵因素就是制程工藝，以及其背后的晶體管技術(shù)（圖2）。每當(dāng)摩爾定律遭遇困境，總會(huì)有新的技術(shù)及時(shí)救場。10年以前，F(xiàn)inFET拯救了一次摩爾定律，而摩爾定律能否繼續(xù)前行就得看GAA FET的實(shí)際表現(xiàn)了。

芯片廠商的分類

在進(jìn)行具體討論之前，我們需要了解當(dāng)前芯片廠商的分類。根據(jù)廠商的定位和性質(zhì)，它們大致可以分為Fabless（無廠半導(dǎo)體公司）、Foundry（代工廠）和IDM（集成器件制造商）三大類。

晶體管技術(shù)的迭代歷史

我們可以將晶體管理解為一種類似于“水龍頭”的電子器件，主要用于控制電流（水流）的大小以及開關(guān)。由于晶體管對電流的控制是通過對柵極施加一個(gè)電壓，從而在通道內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場，用來調(diào)節(jié)源極和漏記之間電流的大小，所以它的全稱是“場效應(yīng)晶體管”（即FET，F(xiàn)ield Ef fectTransistor）。

判定一個(gè)水龍頭優(yōu)劣的重要指標(biāo)就是對水流的管控能力，決定FET場效應(yīng)晶體管（下文簡稱晶體管）效率的重要因素同樣是柵極對通道的控制能力。

平面型晶體管的物理瓶頸

在過去的很長一段時(shí)間里都是平面型晶體管的天下，它在通電后，電流會(huì)從Source（源極）流入Drain（漏級(jí)），而Gate（柵極）就相當(dāng)于閘門（圖6），主要負(fù)責(zé)控制兩端源極和漏級(jí)的通與斷。在電流通過柵極時(shí)會(huì)出現(xiàn)耗損，表現(xiàn)形式為更高的發(fā)熱和功耗，而耗損的程度則取決于柵極的寬度，柵極越窄，功耗越低，柵極越寬功耗越高。

一般來說，晶體管柵極的最小寬度（柵長），就是我們念叨的XXnm工藝中的數(shù)值。比如28nm，就代表管的柵長就是28，每一次制程工藝的迭代，本質(zhì)上就是不斷降低晶體管柵極寬度的過程。

問題來了，平面型晶體管受制于物理結(jié)構(gòu)，它只能在閘門的一側(cè)控制電流的接通與斷開，而且它的柵極寬度不可能無限制的縮窄，當(dāng)寬度接近20nm時(shí)，柵極對電流的控制能力將出現(xiàn)斷崖式下降，業(yè)內(nèi)將其稱為“溝道長度變短導(dǎo)致的所謂短溝道效應(yīng)”，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的電流泄露（漏電）現(xiàn)象，最終讓芯片的發(fā)熱和耗電失控。

鰭式場效應(yīng)晶體管參與救場

為了解決平面型晶體管柵極寬度的物理瓶頸，一種名為FinFET（Fin Field-Ef fectTransistor）的鰭式場效應(yīng)晶體管技術(shù)參與救場。

顧名思義，F(xiàn)inFET最大的特色就是將晶體管的結(jié)構(gòu)從平面變立體，對柵極形狀進(jìn)行改制，閘門被設(shè)計(jì)成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，位于電路的兩側(cè)控制電流的接通與斷開，大幅度提升了源極和柵極的接觸面積，減少柵極寬度的同時(shí)降低漏電率，讓晶體管空間利用率大大增加（圖7）。同時(shí)，由于FinFET的源極和漏極是在柵極做好之后直接在鰭上外延生長（Source-Drain Epitaxy），在柵極的阻斷下不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散層，因此不會(huì)再出現(xiàn)平面型晶體管要命的短溝效應(yīng)問題。

問題又來了，當(dāng)制程工藝跨過5nm門檻后將會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題。比如，隨著柵極寬度的進(jìn)一步縮小，很難再像過去那樣在一個(gè)單元內(nèi)填充多個(gè)鰭線，而鰭式場效應(yīng)晶體管的靜電問題也會(huì)嚴(yán)重制約晶體管性能的進(jìn)一步提升。換句話說，F(xiàn)inFET在5nm時(shí)代就已逼近極限，想生產(chǎn)更具能效比的3nm和2nm工藝，需要下一代晶體管技術(shù)救場。

全柵場效應(yīng)晶體管迎戰(zhàn)未來

FinFET的接班人，是一種名為“GAAFET”（Gate-All-AroundField-EffectTransistor）的晶體管技術(shù)，它有2個(gè)中文譯名，分別為“全環(huán)繞柵極晶體管”和“全柵場效應(yīng)晶體管”，本文我們采用第2個(gè)譯名。

需要指出的是，在即將到來的3 nm工藝時(shí)代，GAA FET還不是剛需，因?yàn)榕_(tái)積電曾表示過旗下的3 n m制程技術(shù)將沿用FinFET的擴(kuò)展和改進(jìn)版本，較之現(xiàn)有的5nm（N5）性能可提高50%，功耗降低30%，晶體管密度提高1.7倍。當(dāng)然，我們也不排除臺(tái)積電未來會(huì)推出改用GA A FET技術(shù)的3nm+工藝。但是，當(dāng)制程工藝進(jìn)入2 n m時(shí)代后，F(xiàn)i n FE T 就必須告別歷史舞臺(tái)了，而晶體管技術(shù)也將進(jìn)入GAA FET的天下。

全環(huán)繞柵極晶體管是一種比FinFET更復(fù)雜的晶體管結(jié)構(gòu)（圖8），它的柵極可從各個(gè)側(cè)面接觸溝道并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微縮，就靜電學(xué)而言它被認(rèn)為是一種“終極CMOS器件”，其閾值電壓可以低至0.3V，3nmGA A FET較之3nm FinFET能以更低的待機(jī)功耗實(shí)現(xiàn)更好的開關(guān)效果（圖9）。

GA A FET全環(huán)繞柵極晶體管根據(jù)源極與漏極之間通道的長寬比不同，分為納米線結(jié)構(gòu)以及納米片結(jié)構(gòu)兩種（圖10），后者使用更寬和更厚的片來改進(jìn)靜電特性和驅(qū)動(dòng)電流。三星即將量產(chǎn)的3nmGA A就將采用納米片結(jié)構(gòu)，而官方對外宣稱的技術(shù)英文名為Multi-Bridge Channel FET（MBCFET，多橋通道場效晶體管），有消息稱臺(tái)積電未來的2nm GA A也會(huì)采用這種納米片的結(jié)構(gòu)。

換句話說，都是3nm GAAF E T，在不同的納米線/片結(jié)構(gòu)，以及鰭的數(shù)量、間距、溝道等因素的影響下可能會(huì)拉開較大的性能差距。這就好像英特爾10nm FinFET工藝無論是晶體管密度還是電氣性能都遠(yuǎn)超三星/ 臺(tái)積電10 n m 一樣，一顆處理器芯片只有挑選同期最好的GA A FET工藝，才能獲得更出色的性能底蘊(yùn)。

更復(fù)雜的制造難度

雖然GA A FET取代FinFET已成業(yè)內(nèi)共識(shí)，但現(xiàn)階段影響其量產(chǎn)普及的因素還有不少，其中最關(guān)鍵的就是更復(fù)雜的制造流程，良品率和成本難以控制。在晶圓的生產(chǎn)過程中，蝕刻垂直側(cè)壁上的器件最是困難，需要引入更新的半導(dǎo)體材料，使用EUV進(jìn)行多次蝕刻，還需解決可能出現(xiàn)的隱藏缺陷，比如納米片之間的殘留物、納米片的損壞或納米片本身相鄰的源→漏極區(qū)的選擇性損壞、溝道釋放需要單獨(dú)控制片材高度、拐角侵蝕和溝道彎曲等（圖11）。

小結(jié)

總之，GAA FET將成為延續(xù)摩爾定律的一副良藥，雖然它現(xiàn)階段還面臨諸多問題，但趨勢終歸是不可逆的。在不遠(yuǎn)的將來，我們將看到三星和臺(tái)積電在GA A FET晶體管技術(shù)上的搏殺，而英特爾參與到這場戰(zhàn)爭的時(shí)間節(jié)點(diǎn)就要晚一些了。當(dāng)然，我們更期待的，則是中芯國際可以早日搞定EUV光刻機(jī)和GAA FET相關(guān)技術(shù)，在高端代工市場分得一杯羹。