被淘汰的FinFET，5nm之后的芯片该如何制造？

自去年起，台积电和三星等晶圆代工厂纷纷推出了5nm的工艺，如今更是在钻研5nm以下的先进制程。但制程的提升不单单只靠EUV光刻机就能轻易实现的，短沟道效应使得传统的FinFET技术已经满足不了更高的半导体工艺。
 
目前的工艺水平在深度学习、图形分析等基础AI应用上已经可以满足要求，但在神经形态芯片和量子计算上，仍需要更先进的制程来提供支持。面对这些挑战，三星、台积电和英特尔纷纷选择了GAA技术来突破这一壁障。
 
GAA何时面世？

晶体管结构的演进 / 三星
 
三星在2019年就公布了其GAA 技术MBCFET，并发布了初版PDK。GAA结构进一步提到了栅极与沟道之间的接触面积，并支持垂直堆叠的方式来获得更强的载流能力，而非像FinFET一样横向堆叠鳍片。三星也同时宣布，将在3nm工艺节点引入GAA技术。根据三星给出的PPA数据，先进节点的MBCFET与7nm的FinFET相比，功耗减少50%，性能提升30%，面积减小了50%。

堆叠四层纳米带的RibbonFET / 英特尔
 
IBM全球首发的2nm芯片上，也用到了纳米片GAA技术。今年6月底，三星宣布与新思合作的3nm GAA试产芯片已经成功流片。根据目前的消息来看，预计三星会在2022年推出早期GAA技术的制程3GAE，在2023年推出基于MBCFET的3GAP。英特尔也在近期的Intel Accelerated发布会中宣布，将在其20A工艺节点中引入其GAA技术RibbonFET，预计2024年上半年推出。而台积电则在今年的技术论坛上宣布，FinFET技术只会用到3nm，2nm将用纳米片晶体管来取代现有结构。
 
然而令许多人不解的是，GAA中通道的命名有纳米线、纳米片和纳米带，这些究竟是营销术语不同，还是另有玄机呢？
 
纳米线、纳米带与纳米片
 
其实这些并不是花哨的营销术语，而是对通道物理特质不同的描述。纳米线的宽度和通道厚度基本相近，而纳米片则选择了更大的宽度，纳米带则是一个折中的方案，也可以看做是宽度更小的纳米片。那么不同的通道对其性能又有何影响呢？由于2D结构约束所带来优秀的短沟道特性，纳米线在低功率应用上的表现更好。而纳米片因为更大有效宽度实现了更大的接触面积，载流性能要更为优异，适合一些高性能的应用，

纳米线与纳米片的截面对比 / 三星
 
虽然通道有所差异，但三星等厂商都不约而同的采用了堆叠通道的方式来继续增加GAA结构的载流性能。不过FinFET中的鳍并不能无限叠加，GAA中的通道也是如此。这种载流能力的提升速度会随着源极/漏极外延处的寄生电阻而减慢，不仅如此，栅极电容也会随着通道数的增加而增大，因此为了保证最小的RC延迟，GAA一般会选择3或4的通道数。
 
2nm及之后的晶体管结构

分叉片结构 / IMEC
 
至于2nm及之后的晶体管结构，比利时微电子研究中心（IMEC）提出了一种新的替代结构，名为分叉片(Forksheet)。该结构中，这些纳米片由分叉式的栅极结构来控制，这种结构在栅极图案化之前，为pMOS和nMOS之间引入了一个绝缘强，将p栅极沟道和n栅极沟道隔绝开来，提供了比FinFET和纳米片都要窄的np间距。由此，分叉片可以提供更好的面积和性能扩展能力，并将单元高度从5T减小至4.3T，也实现了更低的寄生电容。

FinFET、纳米片、CFET单元高度对比 / IMEC
 
为了挺进1nm这一制程，单元高度的要求也减小至了3T，但由于布通率的限制，即便是分叉片也无法满足这一条件。因此，IMEC又推出了名为CFET的技术，一种互补的FET。CFET的概念就是将nFET叠在pFET上，从而提供了更多内部单元布线的自由，并减小了单元面积。在IMEC的初步评估中，运用CFET技术的4T FinFET在功耗和性能的表现上，可以打平甚至超过5T的标准FinFET，而且占用面积还要小25%。至于运用了CFET的纳米片晶体管，不仅逻辑单元高度可以做到3T，还能提供额外的性能提升。
 
结语
 
就像平面晶体管自然演进至FinFET一样，FinFET也将让位给GAAFET。CMOS器件在结构上演化的过程，也是半导体不断挑战摩尔定律的过程。除此之外，其实也有不少公司正在探索CMOS之外的晶体管方案，试图消除CMOS本身的一些缺点，比如英国公司Search For The Next推出的Bizen。但从现在追求PPA的潮流来看，这些方案还远远不能成为市场主流。2022年之后的半导体市场，高NA的EUV光刻机和GAAFET必将成为5nm制程以下的关键因素。