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FinFET交棒GAA?关于GAA制程技术必须知道的事

2022-11-29 15:28:21 Majeed Ahmad 阅读:
现在正是FinFET交棒给GAA,以协助半导体产业提升芯片微缩至下一阶段的时候了。这一转型道路上可能不会一帆风顺,因为要打造GAA设计比起FinFET或平面晶体管更复杂得多了...

“环绕栅极晶体管”(gate-all-around;GAA)半导体制造制程,又称为环绕式栅极场效晶体管(GAA-FET),该技术透过降低供电电压级以及增加驱动电流能力以提升性能,从而突破FinFET的性能限制。简言之,GAA技术让晶体管得以承载更多电流,同时保持相对较小。HLIednc

当半导体产业从22nm进展到16nm工艺节点,平面晶体管也过渡到FinFET晶体管,以降低功率泄漏、增强驱动电流、提高可扩展性、加快开关时间,为半导体逻辑组件促进整体更好的晶体管选择。于是FinFET制造技术一路从22nm芯片进展至5nm芯片。HLIednc

然而,正如所预期的,FinFET制程的微缩能力开始变得令人望而却步。因此,业界需要新的IC制程技术进一步协助芯片继续微缩。在此技术的十字路口,GAA成为最可行的post-FinFET晶体管技术。从晶体管的性能控制来看,该技术提供了显著的优势。HLIednc

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图1:从平面晶体管到FinFET再到GAA晶体管的转变,象征着半导体制造生生不息的技术之旅。(数据源:Lam Research)HLIednc

当1986年首次展示GAA技术时,这种在实验室中建构GAA晶体管,比起大规模制造基于GAA的芯片要容易得多了。三星电子(Samsung Electronics)于2022年夏以3nm处理器节点制造首款支持GAA的芯片,并于2000年代初期开始研究GAA晶体管。2017年,这家韩国芯片制造商开始试产GAA设计,并于2019年宣布制程技术取得突破。HLIednc

GAA:简介

GAA是下一代半导体制程技术,比起FinFET具有两项独特的优势。首先,GAA晶体管解决了许多有关泄漏电流的挑战,因为GAA通道采用水平架构。GAA技术堆栈多个水平纳米片或纳米线,并在每一侧面以栅极材料包围这些通道,因而实现了比FinFET更高的载流能力——FinFET需要将多个垂直「鳍片」(fin)彼此并排放置以增加电流。HLIednc

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图2:在GAA制程中,多个纳米线或纳米片水平堆栈在一起;相形之下,FinFET则需要将多个垂直「鳍片」彼此并排放置以增加电流。(数据源:imec)HLIednc

其次,GAA晶体管的四个侧边都被栅极包围着。相较于当前FinFET制程中的三个侧面,这种途径由于让栅极能够接触电晶体的四个侧面,从而改善了晶体管的结构。因此,GAA结构比起FinFET制程更能精确地控制电流。HLIednc

值得注意的是,GAA晶体管架构与FinFET有90%的相似性,其余10%的差异在于其水平堆栈纳米片。这样可以更有效地控制电流,从而提高电源效率。因此,相较于采用FinFET制程技术制造的芯片,使用基于GAA芯片的电子装置执行速度更快,功耗也更低。HLIednc

三星vs台积电

三星于今夏推出了采用这种新制造技术的首款芯片,称其为GAA架构的多桥通道场效晶体管(Multi-Bridge-Channel FET;MBCFET)。据三星表示,该技术利用具有更宽通道的纳米片,相较于使用具有更窄通道纳米线的GAA技术,MBCDET可实现更高性能与更高能效。HLIednc

针对这种基于纳米片的建置,纳米片的宽度是定义功率和性能特性的关键指针。换句话说,纳米片越宽,功率越高的性能越好。因此,专注于低功耗的晶体管设计可以使用更小的纳米片,而需要更高性能的逻辑芯片则可以使用更宽的纳米片。HLIednc

三星多年来一直致力于从FinFET转型,据报导,在其3纳米工艺节点上的GAA制程设计良率很低。然而,以如此巨大的技术转变来说,这一点都不令人意外。三星已经出货了第一批支持GAA的芯片,第一家采用三星新芯片的客户是来自中国的一家加密挖矿公司。HLIednc

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图3:尽管三星推出了第一代GAA制程,但声称基于GAA的下一代MBCFET制程将更进一步改善功率、尺寸和速度指针。(来源:Samsung)HLIednc

三星计划在2023年推出第二代3nm芯片,并在2025年量产基于GAA的2nm芯片。这将为韩国这家大型晶圆厂提供稳定其GAA芯片良率以及在半导体制造曲线保持领先的空间,同时并试图缩小与台积电(TSMC)的差距——台积电计划在其2nm芯片上导入GAA制程,并于2026年左右发布第一款基于GAA的芯片。HLIednc

台积电仍将制造其3nm芯片,同时使用具有较低执行风险且业经考验的FinFET架构。台积电声称已对其FinFET技术进行了重大更新,透过另一次工艺节点技术迭代,实现性能和泄漏的微缩。HLIednc

台积电正计划于其第一代N2制程技术中开始采用GAA晶体管。显然地,台积电正采取更加谨慎的态度,同时放缓采用GAA晶体管的速度。台积电过去一直采用这种方法,稳定地提供更一致的晶圆厂产品更新服务。HLIednc

英特尔也已到位

FinFET半导体制程现已迈入第五代了,该技术一直是多年来的制造标准。现在第一代GAA芯片已经出现,大型晶圆厂可能会在未来几年竞相争夺GAA技术霸权。以英特尔(Intel)为例,该公司目前正试图赶上台积电和三星这两大晶圆厂巨擘的双头垄断地位。HLIednc

英特尔以RibbonFET的名称亮相其GAA技术;如同台积电一样,英特尔也计划在其2nm节点上采用这种新的半导体制造制程。除了PowerVia互连,英特尔还计划在2024年中推出GAA RibbonFET晶体管,同时为新制程技术创建一种内部虚拟节点。HLIednc

GAA制程技术是芯片微影技术的一项重要里程碑,随着美国和世界其他地方前所未有的晶圆厂扩建潮,该技术可能变得更加重要。先进半导体制造领域的三家大厂——台积电、三星和英特尔,目前都已经有了完整的GAA制程路线图。这意味着确定GAA将作为下一代芯片制造制程的地位。HLIednc

近十年来,FinFET制程技术一直有效地服务于纳米节点,而今正是交棒给GAA以协助半导体产业提升芯片微缩至下一阶段的时候了。然而,在这一转型道路上可能不会一帆风顺,因为要打造GAA设计比起FinFET或平面晶体管更复杂得多了。HLIednc

编译:Susan HongHLIednc

(参考原文:All you need to know about GAA chip manufacturing process,by Majeed Ahmad)HLIednc

责编:Echo
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