FinFET时代即将终结？半导体的下个十年或将基于这种架构

十多年前，FinFET的出现重新定义了芯片设计。虽然这些非平面晶体管仍然是非官方的行业标准，但它们的寿命可能已接近尾声。因此，电子工程师可能需要为即将到来的转变做好准备。bsyednc

第一批使用FinFET的芯片于2011年问世，让半导体安全地进军25nm以下的领域。当时，这种架构是摩尔定律的救命稻草，因为平面晶体管会导致过多的电流泄漏，使得100nm以下的几何尺寸难以为继。bsyednc

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图1 FinFET用3D架构取代了平面晶体管设计，以克服传统平面晶体管的局限性。来源：AnySiliconbsyednc

然而，FinFET现在面临着与之前的平面技术类似的问题。随着设备外形尺寸的不断缩小和性能要求的不断提高，漏电和信号干扰问题正成为越来越常见的障碍。因此，许多业内的领先企业开始考虑采用其他晶体管架构。bsyednc

尽管FinFET与前代产品相比很有帮助，但它们在较小的几何尺寸下具有严格的电源布线限制。工程师通常通过不同的沟道宽度和间距来解决这些限制。这在许多应用中效果很好，但这种策略有其自身的局限性。bsyednc

由于栅极必须能够到鳍片之间的绝缘体，因此每个沟道之间必须有足够的空间。但由于每个鳍片之间的距离只有15nm到20nm，工程师很快就会遇到可扩展性问题。添加更多沟道必然意味着增加更多非活动区域，从而导致当前布线和物理空间之间的权衡。bsyednc

全环绕栅极(GAA)晶体管

一种潜在的解决方案以GAA晶体管的形式出现。GAA架构恢复了平面形式，但不是使用与绝缘体齐平的平坦沟道，而是使用四面被栅极包围的硅带。bsyednc

正如FinFET让工程师可以将多个鳍彼此相邻放置一样，GAA也可以实现垂直沟道堆叠。值得注意的是，这种方法仍然需要在每条晶带之间留出空间。然而，由于它充分利用了垂直性，因此每一个沟道都可以覆盖更长的水平空间。另外，工程师还可以设计出更高但更窄的晶体管，以便在芯片上为其他元件留出更多空间。bsyednc

GAA设计的另一个关键优势是栅极在所有四个侧面都接触沟道。因此，它可以更好地控制更高的电流，就像FinFET与传统平面架构的区别一样。bsyednc

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图2 在GAA晶体管结构中，栅极可以与沟道的所有侧面接触，这使得连续扩展成为可能。资料来源：Lam Researchbsyednc

GAA仍是一种相对较新的技术，但它们已经显示出成为标准技术的迹象。三星率先宣布在2022年改用GAAFET。将FinFET技术推向市场的英特尔将于2024年晚些时候发布其GAA技术以及背面供电技术。bsyednc

障碍依然存在。一些报道称，三星正在努力实现其GAAFET技术的高产量。其他代工厂的GAA芯片也有更长的发布时间，因此GAA技术能否克服这些挑战仍是未知数。bsyednc

尽管存在这些障碍，该行业显然正朝着GAA的方向发展。因此，电子设计人员应在这种转变发生之前熟悉这种技术，以适应不断变化的市场。bsyednc

栅极之上的过渡

正如FinFET在2010年重新定义了半导体架构一样，GAAFET在未来十年内也许能做到同样的事情。尽管这一转变的大部分内容仍悬而未决，但大多数迹象似乎都在表明这一点。bsyednc

电子工程是一个不断发展的领域。因此，工程师必须紧跟这样的发展步伐，以确保他们能够充分利用好这些革新行业的创新成果。bsyednc

(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Are FinFETs coming to an end?，由Ricardo Xie编译)bsyednc