告別泄露和信號干擾，GAA漸漸成為主流標準？

FinFET 于十多年前推出，并重新定義了芯片設計。非平面晶體管仍然被認為是非官方的行業標準，但向更新的技術——Gate-All-Around (GAA) 的過渡可能會加速。電子工程師需要為即將到來的變化做好準備。

第一批基于 FinFET 的芯片于 2011 年出現，使半導體進入 25 納米以下工藝領域。這種架構在當時是對“摩爾定律”的一種救贖。這是因為平面晶體管的漏電流太大，無法在 100 納米以下的幾何結構中維持。

然而，FinFET 目前面臨著與其平面前輩相同的問題。隨著設備外形尺寸的不斷縮小和性能要求的不斷提高，泄漏功率和信號干擾問題正成為常見的障礙。因此，半導體行業的許多主要參與者開始考慮替代晶體管架構。

FinFET 比其前身更有用，但其較小的幾何形狀帶來了嚴格的電源布線限制。工程師通常使用不同的通道寬度和間距來解決這一限制。盡管這種策略在許多應用中都能很好地發揮作用，但它也有局限性。

由于FinFET的結構，需要保證每個通道之間有足夠的空間。因此，由于每個鰭片間距在 15 納米到 20 納米之間，工程師很快就會遇到可擴展性問題。添加更多通道意味著添加更多非活動區域，從而在當前路由和物理空間之間進行權衡。

GAA 晶體管作為一種解決方案應運而生。


什么是GAA FET（環繞柵極場效應晶體管）？

數字芯片最基本單元是MOSFET，其工藝發展到7nm、3nm、2nm，這個半導體工藝尺寸是MOSFET柵極（溝槽）寬度。早期MOSFET使用平面結構，溝槽寬度越小，漏極到源極距離越小，載流子流動跨越溝道導通時間減小，工作頻率越高；同時，溝道完全開通所加柵極電壓越低，開關損耗越低；而且，溝道導通電阻降低，導通損耗也降低。

但是，工藝尺寸越低，短溝道效應越明顯。短溝道效應就是晶胞單元漏極到源極間距不斷減小，柵極下部接觸面積越來越小，柵極難以耗盡溝道載流子，其對溝道控制力不斷減弱；因此，器件處于截止狀態時漏電流會急劇增加，惡化其性能，靜態功耗增加。

如果采用立體結構，增加柵極和溝道接觸面積，如新的FinFET鰭型三維結構，就是將柵極包裹三個側面溝道，就可以解決上述問題。為了進一步提高柵極對溝道控制能力，縮小單元尺寸，降低電壓，GAA柵極環繞結構被開發出來。

GAA柵極環繞晶體管結構的柵極在垂直方向被分成幾個條帶RibbonFET，在其溝道區域，大幅增強對載流子控制，從而實現更好性能，同時也更容易優化工藝。


GAA納米片FET的集成

GAA納米片FET的集成涉及幾個新步驟，需要一系列創新才能實現該技術。關鍵集成模塊如下：

堆疊納米片的形成：在Si襯底上外延生長SiGe和Si疊層；每層厚度均可高精度控制。

Fin reveal 和 STI：器件采用光刻方式定義，并執行淺溝槽隔離以隔離相鄰器件。

偽柵極形成：形成多晶硅偽柵極以實現下游加工。

內間隔層和結形成：n 型或 p 型源/漏外延層選擇性地形成在暴露的納米片末端的任一側。

替換金屬柵極成型:

虛擬門拉：虛擬門被蝕刻出來，露出一個空腔，在空腔底部放置納米片

犧牲SiGe通道釋放：納米片之間的SiGe通道被蝕刻掉，使高k金屬柵極填充

形成高k金屬柵極(HKMG)：界面氧化物，高k介電層，n型或p型功函數被選擇性沉積。


全底部介質隔離

為了介紹這個問題，我們首先介紹GAA納米片特有的“肥鰭”效應，其中工藝不理想會導致結構，導致納米片以下體區的電容增加。雖然這種結構是GAA納米片所特有的，但這種效應也稱為sub-fin泄漏，存在于FinFET中，并使用穿通阻擋器方案來處理。因此，基于斷態泄漏電流、短溝道效應和有效電容(Ceff)對PTS方案與新型BDI方案進行了比較；結果表明，BDI有可能提供改進的Ceff和功率性能聯合優化。

集成全底介電隔離需要在Si,、SiGe納米片堆棧的底部添加高濃度的SiGe層。添加這一層，然后選擇性地蝕刻它，需要降低用于納米片堆疊的SiGe層中的Ge濃度。這引入了Si和SiGe之間較低的選擇性，導致在SiGe通道移除過程中Si的損失，需要仔細考慮堆棧厚度，以確保TSi在整個工藝流程結束時不會太薄。我們可以在圖3b中看到BDI位于S/D區域下方。


啟用多個閾值電壓

能夠整合多個閾值電壓(VT)是一項技術成為行業標準的關鍵要求。鑒于GAA FET的獨特結構，沉積功函數金屬的空間是有限的，替換金屬柵極工藝僅使 Si 通道和內部間隔物之間的空間保持開放狀態——根據技術要求填充功函數金屬。這個空間，也稱為Tsus(參見圖2)，可以通過控制在納米片堆棧開發模塊期間生長的SiGe層的厚度來控制，但仍然受到高度限制，必須仔細設計以滿足器件產品的行業標準。

提出了兩種不同的方法來適應GAAFET中的多VT產品——(1)WFM修改和(2)Tsus修改。圖8給出了WFM修改的流程概述。VT調制的集成序列突出的挑戰之一是，當WFM在Si通道之間被夾斷時，大的Wsheet增加了WFM蝕刻的工藝挑戰。為了克服這一點，參考文獻提出用易于蝕刻的犧牲材料填充片與片之間的空間，選擇性地打開其中一個FET，蝕刻掉已經沉積的工作功能金屬。該方案不確定p型或n型WFM，并支持PG (p-FET優先)和MY (n-FET優先)方案。同樣的過程可以重復來實現不同的功函數金屬集，或者實現具有兩個以上WFM的不同堆棧。

第二種方法需要在納米片形成過程中通過改變溝道層外延厚度來改變Tsus。片間更大的空間允許在該空間中沉積更大體積的功功能金屬，從而調節VT。與FinFET相比，這種設計按鈕是GAA納米片FET所特有的，因此，在這些納米片FET中為多VT選項提供了更多的設計空間。

無體積多閾值電壓

無體積多VT是一個術語，定義為表示基于偶極子的VT選項，其中形成了厚度小于5 ?is的偶極子，然后是基功函數金屬。如引用的文獻所示，這種創新方案提供了空間和柵極阻力方面的優勢。然而，這種方法并不能直接從FinFET轉化為GAA納米片FET，因此參考文獻中提出了專用的無體積VT集成。此外，無體積VT還有助于VT均勻性，這對晶體管的均勻開關很重要。

使用新穎的集成序列和GAA納米片FET的獨特設計按鈕創建了幾種不同口味的VT -(a) Tsus設計；和(b) WFM夾斷。提出了一種基于偶極子的納米FET VT結構。除了這些旋鈕外，第4節中討論的TSi設計還可以進行調制，以在移動性和短通道效應之間進行權衡。因此，總的來說，GAA納米片FET為基于應用的優化提供了幾個機會，因此它們適用于高功率和低功率應用。


三星深度布局GAA 工藝

2022年六月，三星宣布已開始了采用環柵 (GAA) 晶體管架構的 3 納米 (nm) 工藝節點的初始生產。其中用到的多橋通道 FET (MBCFET ) 是三星首次采用的 GAA 技術，該工藝突破了 FinFET 的性能限制，通過降低電源電壓水平提高功率效率，同時還通過增加驅動電流能力提高性能。該公司也正在開始將納米片晶體管與半導體芯片一起用于高性能、低功耗計算應用，并計劃擴展到移動處理器。

三星表示，借助公司專有技術利用具有更寬通道的納米片，與使用具有更窄通道的納米線的 GAA 技術相比，可實現更高的性能和更高的能效。利用 3nm GAA 技術，三星將能夠調整納米片的通道寬度，以優化功耗和性能，以滿足各種客戶需求。

此外，GAA 的設計靈活性非常有利于設計技術協同優化 (DTCO)，這有助于提高功率、性能、面積 (PPA) 優勢。與5nm工藝相比，第一代3nm工藝相比5nm功耗最高可降低45%，性能提升23%，面積減少16%，而第二代3nm工藝則功耗最高可降低50%，性能提高 30%，面積減少 35%。

自 2019 年他們最初宣布該技術以來，三星一直致力于 3nm/GAAFET 技術的研發。三星特有的 GAA 晶體管技術是多橋通道 FET (MBCFET)，這是一種基于納米片的實現。基于納米片的 FET 高度可定制，納米片的寬度是定義功率和性能特征的關鍵指標：寬度越大，性能越好（在更高功率下）。因此，專注于低功耗的晶體管設計可以使用更小的納米片，而需要更高性能的邏輯可以使用更寬的納米片。

臺灣媒體報道稱，臺積電的3納米工藝生產良率高達85%，高于三星。但韓國業內消息人士淡化了這份報告，稱這個數字似乎被夸大了。他們表示，考慮到臺積電向蘋果提供業界最小芯片的量產和交付時間表，其生產良率最多為50%。

按照媒體所說，因為在第一代3nm上折戟，三星正在大力投入到第二代工藝的研發中。

報告披露，三星第二代3nm GAA 工藝將會在2024年量產，工藝將加入MBCFET 架構，性能也將提升不少。雖然三星并沒有分享4nm 節點的統計差異，但與該公司5nm 工藝相比，第二代3nm GAA 仍有望降低多達50% 的功耗、提升30% 性能、以及減少35% 的晶片面積占用。