晶體管進(jìn)入納米片時代

全球最先進(jìn)的芯片公司正在競相大規(guī)模推出基于環(huán)柵（GAA）架構(gòu)的新一代晶體管。雖然他們都處于不同的過渡階段，但他們打算開始在 3 納米和 2 納米工藝節(jié)點(diǎn)集成這些「納米片」晶體管，并可能在 2024 年和 2025 年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

英特爾和臺積電等公司需要時間來釋放這些晶體管的全部潛力，而整個半導(dǎo)體行業(yè)還需要一段時間才能感受到轉(zhuǎn)型的全面影響。此后該改進(jìn)必將成為 CPU、GPU 和其他高級邏輯芯片的黃金標(biāo)準(zhǔn)，這些芯片是從人工智能到高性能計(jì)算 (HPC) 等一切領(lǐng)域的核心。這些晶體管的設(shè)計(jì)速度更快，功耗更低，挑戰(zhàn)了長期主導(dǎo)半導(dǎo)體領(lǐng)域的 FinFET 的局限性。

納米片晶體管并不能拯救摩爾定律，也不能解決代工廠在最先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上面臨的所有挑戰(zhàn)。為了克服這些問題，代工廠正在尋求各種創(chuàng)新，例如背面供電（BSPD），以在節(jié)省功耗的同時從晶體管之間的互聯(lián)中獲得更多性能。

他們還采用新的芯片設(shè)計(jì)方法，即系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）。STCO 涉及將小芯片與 2.5D 和 3D 先進(jìn)封裝連接起來。

盡管納米片有其局限性，但半導(dǎo)體行業(yè)正在全力以赴進(jìn)行轉(zhuǎn)型。就其本身而言，英特爾打算在即將推出的工藝節(jié)點(diǎn)中引入 RibbonFET。它將從「20A」節(jié)點(diǎn)開始，該公司表示，該節(jié)點(diǎn)將于 2024 年上半年啟用。臺積電計(jì)劃在 2025 年初在其 2 納米節(jié)點(diǎn)上首次采用納米片。

雖然三星在邏輯芯片市場上更像是一個次要參與者，但三星在 2022 年率先推出了納米片的一種變體，稱為多橋通道 FET (MBCFET)，并推出了 3 納米節(jié)點(diǎn)。

為了更好地了解支持納米片的案例及其獨(dú)特優(yōu)勢，imec 的邏輯技術(shù)副總裁 Julien Ryckaert 發(fā)表了他的看法。

為納米片奠定基礎(chǔ)，首先支持 FinFET 的論點(diǎn)是什么？

納米片晶體管實(shí)際上是 FinFET 的延續(xù)。大家開始研究這類 3D 架構(gòu)的主要原因是短通道控制。

當(dāng)你縮小平面晶體管的柵極長度，以保持源極和漏極之間的隔離，并確保每當(dāng)你關(guān)閉晶體管時都有足夠的截止電壓時，這變得越來越難。這種現(xiàn)象被稱之為「短溝道效應(yīng)」，而解決這一問題的能力通常由我們稱之為「亞閾值斜率」的度量來表征。

隨著柵極長度縮小，漏極在物理上距離源極越來越近，然后保證兩個終端之間的隔離就開始變得更加困難。因此，您開始尋找限制溝道的方法，以便每當(dāng)您關(guān)閉晶體管時，半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)的磁場就足夠強(qiáng)，以保證漏極和源極保持隔離。

各家的焦點(diǎn)都集中在這個鰭狀器件上，它是一塊突出的硅片（從硅晶圓上），其中柵極將包裹結(jié)構(gòu)并保證良好控制的關(guān)斷狀態(tài)，從而在擴(kuò)展時確保亞閾值斜率大門。

是否還有其他力量推動半導(dǎo)體行業(yè)采用 FinFET？

Julien Ryckaert 表示：「我不確定這是否是 FinFET 開發(fā)時思考過程的一部分。但溝道寬度 (W) 的很大一部分（與開關(guān)晶體管所需的電流量密切相關(guān)的特性）位于垂直方向，即鰭片的高度。鰭越高，為 FinFET 創(chuàng)建的 W 越多，為晶體管創(chuàng)建的驅(qū)動電流也越大?！?/p>

這對于 FinFET 的縮放非常有用，因?yàn)槟F(xiàn)在可以創(chuàng)建一個非常緊湊且具有足夠驅(qū)動電流的晶體管。芯片制造商在 FinFET 一代中廣泛利用了這一點(diǎn)，減少了晶體管中鰭片的數(shù)量，并通過增加鰭片的高度來補(bǔ)償這一點(diǎn)。如果你想縮小平面晶體管中的 W，它就必須占據(jù)越來越多的空間。

因此，作為邏輯庫構(gòu)建塊的標(biāo)準(zhǔn)單元最終從三鰭器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡p鰭器件。公司用來縮放晶體管的旋鈕被稱為「軌道高度縮放」。您可以在結(jié)構(gòu)上縮放標(biāo)準(zhǔn)單元，而無需縮放間距，因?yàn)槟梢詼p少鰭片的數(shù)量，取而代之的是使用越來越高的鰭片。因此，有兩個支持 FinFET 的論點(diǎn)——一個是更好的靜電控制，另一個是更好的效率。

為什么半導(dǎo)體行業(yè)試圖取代 FinFET？

Julien Ryckaert 認(rèn)為，雖然從平面晶體管到鰭狀晶體管的轉(zhuǎn)變是理所當(dāng)然的事情，但不幸的是，納米片將很難帶來我們從 FinFET 中看到的同樣的好處。

我們轉(zhuǎn)向納米片的原因主要是因?yàn)殪o電控制。您之前使用了固定在晶圓上的鰭片，它要求鰭片具有非常直的輪廓，因此您需要一個從頂部到底部的非常直的硅薄鰭片，以確保您可以精確控制整個渠道。

然而，鰭片輪廓從來都不是完全筆直的，因此總會有一定程度的功率從鰭片底部泄露。一些主要的代工廠正在嘗試改善鰭片輪廓以保證靜電控制。

與此同時，每個人都想擴(kuò)大晶體管的柵極長度，但他們意識到，同時擴(kuò)大鰭片和柵極長度并仍保證相同的靜電控制變得更具挑戰(zhàn)性。

目前的情況是，我們正在轉(zhuǎn)向完整的 GAA 結(jié)構(gòu)，其中整個溝道在所有四個側(cè)面都包裹起來，以獲得強(qiáng)大的柵極場，從而保證強(qiáng)大的導(dǎo)通和關(guān)斷并減少漏電流。這樣，您就可以繼續(xù)縮放納米片器件內(nèi)的柵極長度。

在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)規(guī)模上使用 FinFET 是否不再是可持續(xù)的？

當(dāng)您制造越來越小的晶體管時，最終每個器件都會有一對鰭片。下一步是探索單鰭片設(shè)備的可能性。但單鰭片的問題是，如果您想保持一對鰭片的驅(qū)動電流，則需要將單鰭片的高度加倍。

例如，在雙鰭片場景中，鰭片的高度可能為 50 納米。如果使用單個鰭片，則必須使用 100 納米的鰭片，這種鰭片非常高，因此很難以經(jīng)濟(jì)高效的方式制造。

與此同時，在這么高的結(jié)構(gòu)中所積累的寄生效應(yīng)（最明顯的是電容和電阻），會消耗掉使設(shè)備更緊湊的所有優(yōu)勢。所以，這并不是說 100 納米的鰭片就像一對并排放置的 50 納米鰭片一樣好用。

這就是為什么公司開始投資向納米片晶體管過渡，也是為什么你會看到不同的代工廠采取不同的發(fā)展軌跡。一些代工廠先于其他代工廠引入了納米片，這僅僅是因?yàn)榧{米片和 FinFET 仍在這些尺寸上爭奪主導(dǎo)地位，即在器件的效率、驅(qū)動和寄生之間實(shí)現(xiàn)平衡。

我們知道兩個鰭片之間的距離是有限的，取決于你能在兩個鰭片之間擠壓多少金屬來形成閘門，所以在某些時候你會被一個鰭片卡住。如果沒有納米片，你就無法獲得同樣的功率和性能改進(jìn)。

如果您是一家領(lǐng)先的代工廠，并且已經(jīng)掌握了鰭片的制造，那么您將盡力從 FinFET 中榨取最大的收益。但這完全取決于您的制造能力、您認(rèn)為的領(lǐng)先優(yōu)勢以及您希望以多快的速度進(jìn)入市場。一些公司正試圖盡快利用納米片革命。

就功耗和性能而言，我想說它實(shí)際上與 FinFET 相當(dāng)。但你知道在某個時候你將不得不轉(zhuǎn)向納米片，因?yàn)?FinFET 不再可擴(kuò)展，不再為你提供每單位面積更多的晶體管。

因此，半導(dǎo)體行業(yè)很久以前就停止了根據(jù)晶體管中的任何特定測量來命名工藝節(jié)點(diǎn)。相反，它主要是強(qiáng)調(diào)流程節(jié)點(diǎn)先進(jìn)程度的一種方式。

鑒于此，公司是否真的使用納米片技術(shù)來縮小晶體管尺寸？與 FinFET 相比，它似乎更多的是為了提高晶體管的性能，而不是減少其占地面積。對于納米片來說，節(jié)省面積似乎更為次要。

另一種看待它的方式是，想象縮放正在迫使您縮小標(biāo)準(zhǔn)單元的面積。您正在嘗試壓縮兩種類型的晶體管：n 溝道 (nFET) 和 p 溝道 FET (pFET)，用于創(chuàng)建 CMOS 邏輯。它們都需要適合標(biāo)準(zhǔn)單元的占地面積，因此您開始將問題分解為必須遵守的所有規(guī)則。鰭片可以分開多遠(yuǎn)？FET 彼此之間的距離可以多遠(yuǎn)？您需要提供的間距才能使一切都在控制之中？

你分析了晶體管布局的所有這些限制，然后你意識到不可能再把兩個鰭片放進(jìn)設(shè)備中。你不能得到一對 nFET 和 pFET 晶體管在同一空間了，你只能得到一個鰭上的 nFET 和一個鰭上的 pFET。

這些平面型晶體管允許您更好地利用可用的空間，以創(chuàng)建與 FinFET 相比更大的有效溝道寬度，并以增加器件驅(qū)動電流能力的方式將晶體管擠壓在一起。

因此，當(dāng)將 FinFET 的功率、性能和面積與相同尺寸的納米片晶體管進(jìn)行比較時，您會發(fā)現(xiàn) FinFET 在大約 2 納米節(jié)點(diǎn)處性能開始下降。納米片可以繼續(xù)保持當(dāng)今公司最想要的性能、功率和面積增益。但你不會看到納米片突然帶來巨大的收益。

芯片行業(yè)的公司正在獲得從制造工具到 EDA 軟件的一切，EDA 軟件可以捕獲納米片 FET 的所有復(fù)雜性。當(dāng)你想到基于納米片晶體管的芯片要進(jìn)入市場還需要什么的時候，你還想到了什么？

Julien Ryckaert 表示，據(jù)我所知，提供 I/O 以及標(biāo)準(zhǔn) CMOS 平臺的大量設(shè)備將非常具有挑戰(zhàn)性。將其他類型的器件與納米片共同集成存在許多困難。這意味著必須設(shè)計(jì)大量新的知識產(chǎn)權(quán) (IP)，以保證 SoC 子系統(tǒng)的正確性。否則 I/O 將不可用。

雖然它可能與納米片沒有直接關(guān)系，但請記住，向納米片的過渡恰逢半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)方式的許多變化。一些公司計(jì)劃在 2 納米節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的另一個轉(zhuǎn)變是背面供電。

無論你如何看待，對于代工廠和無晶圓廠公司來說，許多變化同時發(fā)生。

除了提高晶體管密度之外，納米片還有其他獨(dú)特的優(yōu)勢嗎？

Julien Ryckaert 表示，對于 FinFET，它是四個鰭、三個鰭或兩個鰭，對吧？然而，對于納米片，您可以想象幾乎以連續(xù)的方式調(diào)制片材寬度。

現(xiàn)在，將其放入制造過程中非常困難。但是，將片材寬度從 25 nm 調(diào)整到 20 nm、15 nm 到 10 nm 的能力將為您提供另一個優(yōu)化 SoC 功率和性能的旋鈕（因?yàn)檎{(diào)整溝道寬度會影響晶體管的寄生電容）。因此，如果代工廠能夠掌握這項(xiàng)技術(shù)，無晶圓廠公司將能夠?qū)崿F(xiàn)更好的功耗與性能權(quán)衡。

只需要對工藝流程進(jìn)行很少的改變即可實(shí)現(xiàn)調(diào)制，這就是為什么它需要一些時間才能變得可用。隨著 FinFET 耗盡，芯片行業(yè)開始將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向其他創(chuàng)新，尤其是小芯片和先進(jìn)封裝。

納米片晶體管會產(chǎn)生與 FinFET 相同的影響嗎？

Julien Ryckaert 認(rèn)為這只是不斷擴(kuò)大的工具箱中的另一個工具，晶體管主導(dǎo)整個半導(dǎo)體路線圖的世界現(xiàn)在已經(jīng)結(jié)束了。

保持新器件的密度擴(kuò)展非常重要，而獲得更緊湊的晶體管仍將是擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。

器件的空間乃至其性能的關(guān)鍵因素甚至不是由其溝道和晶體管本身的其他屬性決定的。但這同樣取決于您訪問設(shè)備的方式。三大代工廠擁有截然不同的中線 (MOL) 戰(zhàn)略，這表明它仍然有可能進(jìn)行創(chuàng)新和引入新的解決方案。

未來，3D 芯片堆疊和類似小芯片的方法對于補(bǔ)充晶體管的路線圖也可能變得更加重要。納米片過渡的關(guān)鍵問題之一是，與 FinFET 相比，SRAM 無法擴(kuò)展或很難擴(kuò)展密度。因此，如果處理器的一半由 SRAM 組成，您可以假設(shè)該產(chǎn)品的一半將無法擴(kuò)展。這不僅是不幸的，而且還將迫使芯片設(shè)計(jì)人員尋找其他解決方案來解決該瓶頸。