(作者:泛林Nerissa Draeger博士)
全包圍柵極結(jié)構(gòu)將取代FinFET
發(fā)布時(shí)間:2021-01-25 來源:泛林Nerissa Draeger博士 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】FinFET在22nm節(jié)點(diǎn)的首次商業(yè)化為晶體管——芯片“大腦”內(nèi)的微型開關(guān)——制造帶來了顛覆性變革。與此前的平面晶體管相比,與柵極三面接觸的“鰭”所形成的通道更容易控制。但是,隨著3nm和5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)面臨的難題不斷累積,F(xiàn)inFET的效用已經(jīng)趨于極限。
FinFET在22nm節(jié)點(diǎn)的首次商業(yè)化為晶體管——芯片“大腦”內(nèi)的微型開關(guān)——制造帶來了顛覆性變革。與此前的平面晶體管相比,與柵極三面接觸的“鰭”所形成的通道更容易控制。但是,隨著3nm和5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)面臨的難題不斷累積,F(xiàn)inFET的效用已經(jīng)趨于極限。
晶體管縮放的難題
在每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn),設(shè)備制造商可以通過縮小晶體管的方法來降低器件面積、成本和功耗并實(shí)現(xiàn)性能提升,這種方式也稱為PPAC(功率、性能、面積、成本)縮放。然而,進(jìn)一步減小FinFET的尺寸卻會(huì)限制驅(qū)動(dòng)電流和靜電控制能力。
在平面晶體管中,可以通過增加通道寬度來驅(qū)動(dòng)更多電流并提升接通與斷開的速度。然而,隨著CMOS設(shè)計(jì)的發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)單元的軌道高度不斷降低,這就導(dǎo)致“鰭”的尺寸受到限制,而基于5nm以下節(jié)點(diǎn)制造的單鰭器件將會(huì)無法提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。
此外,雖然“鰭”的三面均受柵極控制,但仍有一側(cè)是不受控的。隨著柵極長度的縮短,短溝道效應(yīng)就會(huì)更明顯,也會(huì)有更多電流通過器件底部無接觸的部分泄露。因此,更小尺寸的器件就會(huì)無法滿足功耗和性能要求。
用納米薄片代替鰭片
全包圍柵極(GAA)是一種經(jīng)過改良的晶體管結(jié)構(gòu),其中通道的所有面都與柵極接觸,這樣就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)縮放。采用這種結(jié)構(gòu)的晶體管就被稱為全包圍柵極(GAA)晶體管,目前已經(jīng)出現(xiàn)多種該類晶體管的變體。
早期的GAA器件使用垂直堆疊納米薄片的方法,即將水平放置的薄片相互分開地置入柵極之中。相對(duì)于FinFET,這種方法下的通道更容易控制。而且不同于FinFET必須并排多個(gè)鰭片才能提高電流,GAA晶體管只需多垂直堆疊幾個(gè)納米薄片并讓柵極包裹通道就能夠獲得更強(qiáng)的載流能力。這樣,只需要縮放這些納米薄片就可以調(diào)整獲得滿足特定性能要求的晶體管尺寸。
然而,和鰭片一樣,隨著技術(shù)進(jìn)步和特征尺寸持續(xù)降低,薄片的寬度和間隔也會(huì)不斷縮減。當(dāng)薄片寬度達(dá)到和厚度幾乎相等的程度時(shí),這些納米薄片看起來會(huì)更像“納米線”。
制造方面的挑戰(zhàn)
盡管納米薄片的概念很簡單,但它卻給實(shí)際制造帶來了諸多新挑戰(zhàn),其中有些制造難題源于結(jié)構(gòu)制成,其他則與滿足PPAC縮放目標(biāo)所需的新材料有關(guān)。
具體而言,在構(gòu)建方面的主要挑戰(zhàn)源于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。要制造GAA晶體管首先需要用Si和SiGe外延層交替構(gòu)成超晶格并用其作為納米薄片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),之后則需要將電介質(zhì)隔離層沉入內(nèi)部(用于保護(hù)源極/漏極和確定柵極寬度)并通過刻蝕去除通道的犧牲層。去除犧牲層之后留下的空間,包括納米片之間的空間,都需要用電介質(zhì)和金屬構(gòu)成的柵極填補(bǔ)。今后的柵極很可能要使用新的金屬材料,其中鈷已經(jīng)進(jìn)入評(píng)估階段;釕、鉬、鎳和各種合金也已被制造商納入考慮范圍之內(nèi)。
持續(xù)的進(jìn)步
GAA晶體管終將取代FinFET,其中的納米薄片也會(huì)逐漸發(fā)展成納米線。而GAA結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠適用于當(dāng)前已經(jīng)納入規(guī)劃的所有先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)。
從最早的平面結(jié)構(gòu)開始,晶體管架構(gòu)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步并有效推動(dòng)了智能互聯(lián)的大發(fā)展,這一切都是早期的行業(yè)先驅(qū)們所難以想象的。隨著全包圍柵極晶體管的出現(xiàn),我們也熱切期待它能為世界帶來更令人驚嘆的終端用戶設(shè)備和功能。
(作者:泛林Nerissa Draeger博士)
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