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科工力量:三星、英特爾轉(zhuǎn)向GAA FinFET步入歷史終結(jié)?
【文/科工力量 柳葉刀】
在去年的2019年度“三星晶圓代工論壇(Samsung Foundry Forum)”會議上,三星宣布了3nm工藝,明確會放棄FinFET晶體管,轉(zhuǎn)向GAA環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)。如今又有消息披露,英特爾在5nm節(jié)點將會放棄FinFET,也要轉(zhuǎn)向GAA。三家晶圓代工巨頭中已經(jīng)有兩家改變風向,雖然臺積電在其3nm工藝細節(jié)上還是秘而不宣,但放棄FinFET工藝似乎也已無懸念。
從平面MOSFET到FinFET 一切都為高集成度芯片
登上舞臺不到十年,如今FinFET卻又要黯然退場,強留似乎已經(jīng)不可能。但是在市場的需求、技術(shù)的進步的大潮之下,從平面MOSFET(金屬氧化物半導體效應晶體管),到FinFET(鰭式場效應晶體管),再到接下來GAA(環(huán)繞柵極),一切工藝都是為更高集成度的芯片服務。
自平面MOSFET器件工藝誕生后,特征尺寸就在不停地縮小,按照摩爾定律的描述,集成度幾乎是18個月翻一番。尺寸的縮小不但降低了單個晶體管的成本,還可以增加晶體管的開關(guān)速度。從上個世紀九十年代的多媒體PC,本世紀初的互聯(lián)網(wǎng)PC,到2010年代的智能移動設(shè)備,這一系列新應用市場的打開與處理器芯片性能提升密切相關(guān)。
在晶體管特征尺寸微縮的過程中,也遇到過各種困難,但是通過將鋁互聯(lián)改成銅互聯(lián),在柵極加入High-k材料、引入Stress engineering等方法都可以在不改變平面器件工藝的情況下把尺寸做小。
但是當柵極長度逼近20nm門檻時,對電流的控制能力急劇下降,漏電率也在升高,傳統(tǒng)的平面MOSFET看似走到了盡頭,材料的改變也無法解決問題。
這時候,由加州大學伯克利分校胡正明教授給出了新的設(shè)計方案,也就是FinFET晶體管。在FinFET中,溝道不再是二維的,而是三維的“鰭(Fin)”形狀,而柵極則是三維圍繞著“鰭”,這就大大增加了柵極對于溝道的控制能力,從而解決漏電問題。
胡正明在2001年在學界正式提出FinFET方案,但是真正的被商業(yè)落實還要等到十年以后。英特爾在FinFET工藝上率先出手,在2011年推出商業(yè)化的FinFET工藝技術(shù),之后臺積電也迅速跟進,在16nm節(jié)點中使用了FinFET。從16/14nm開始,F(xiàn)inFET成為了半導體器件的主流選擇。
不過,胡正明當初還提出了另一種方案,基于SOI的超博絕緣層上硅體技術(shù)FD-SOI(完全耗盡型絕緣硅)晶體管技術(shù)。該工藝在制成的芯片在物聯(lián)網(wǎng)、汽車、網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施、消費類領(lǐng)域也具有一定的市場,三星、格芯、IBM、ST也一直力推,但相較于FinFET工藝,F(xiàn)D-SOI一直在二線徘徊。另外,業(yè)內(nèi)專家也指出,由于其襯底成本高,越往上走的尺寸越難以做小,最高水平最多走到12nm,后續(xù)難以為繼。
榮光不到十年 FinFET的替代者出現(xiàn)
自英特爾2011年商業(yè)化FinFET工藝技術(shù)后,F(xiàn)inFET體系結(jié)構(gòu)也在持續(xù)進行改進,以提高性能并減小面積。但是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能駕駛等新應用層出不窮,對芯片的性能提出了更高的要求。
到了5nm節(jié)點后,雖然已經(jīng)使用上了EUV光刻技術(shù),但是基于FinFET結(jié)構(gòu)進行的芯片尺寸的縮小,就變得更加困難。FinFET工藝制造、研發(fā)成本也越來越高,即使在7nm、5nm仍能堅持,但是再往前似乎已經(jīng)是力不從心。
圖自《IEEE SPECTRUM》官網(wǎng)
市場對于高性能芯片的渴望不斷推動技術(shù)的演進,在人們?yōu)?nm節(jié)點工藝擔憂的時候,新的環(huán)繞柵極(GAA)器件出現(xiàn)了。與FinFET工藝中的立體溝道三面都被柵極圍繞不同,到了GAA,溝道由納米線(nanowire)構(gòu)成,其四面都被柵極圍繞,從而再度增強柵極對溝道的控制能力,有效減少漏電。
三大晶圓代工巨頭開始轉(zhuǎn)向 FinFET的退出3nm節(jié)點難挽回
在GAA工藝上,三星算是手疾眼快,搶先在英特爾、臺積電之前率先接棒。2018年三星公布了被稱為多溝道FET(multi-bridge-channel FET,MBCFET)的環(huán)繞柵極工藝,事實上多年之前就開始了研發(fā)。在2017年的VLSL technology symposium會議上,IBM就發(fā)表了與三星和Global Foundries合作研發(fā)5nm GAA晶體管。
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本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 柳葉刀 
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