GAAFET晶体管时代即将到来！但FinFET仍是主流

  【手机频道】三星在年初的IEEE国际固态电路大会(ISSCC)上，公布3nm制造技术的一些细节，包括类似全栅场效应晶体管(GAAFET)结构，率先开启先进工艺在技术架构上的转型。知名能源与电力媒体eenews报道称，三星工厂已经流片采用环绕栅极 (GAA) 晶体管架构的3nm芯片，通过纳米片(Nanosheet)制造出MBCFET(多桥通道场效应管)，可显著增强晶体管性能，主要取代FinFET晶体管技术。 

  为了能够从台积电手中抢到客户，三星半导体最近几年一直在积极宣传GAA(gate all around)。伴随着成功流片，三星3nm芯片即将进入模量产。但随后有消息称，可能在2022年推出的3nm(GAA架构)，要推迟到2024年。

  根据三星官方的数据，7nm FinFET制造工艺相比，3nm GAA技术的逻辑面积效率提高35%以上，功耗降低50%，逻辑面积减少45%。三星执行副总裁兼代工销售和营销主管Charlie Bae表示：“基于GAA结构的下一代工艺节点(3nm)将使三星能够率先打开一个新的智能互联世界，同时加强我们的技术领先地位”。

  什么是GGA晶体管？ 

  GGA的全称是Gate all around Field Effect Transistors(简称GAAFET)，中文全称全环栅晶体管，能够延续半导体技术经典“摩尔定律”的新兴技术路线，可进一步增强栅极控制能力，克服当前技术的物理缩放比例和性能限制。

  据了解，GAAFET有两种结构，一种是使用纳米线(Nanowire)作为电子晶体管鳍片的常见GAAFET;另一种则是以纳米片(Nanosheet)形式出现的较厚鳍片的多桥通道场效应管MBCFET，这两种方式都可以实现3nm工艺节点，只是取决于制造商具体的设计。从GAAFET到MBCFET，可以视为从二维到三维的跃进，能够改进电路控制，降低漏电率。 

  GAA晶体管能够提供比FinFET更好的静电特性，满足某些栅极宽度的需求。在同等尺寸结构下，GAA沟道控制能力增强，给尺寸进一步微缩提供可能;传统FinFET的沟道仅三面被栅极包围，GAA以纳米线沟道设计的整个外轮廓都被栅极完全包裹，意味着栅极对沟道的控制性能就更好。Leti公司高级集成工程师Sylvain Barraud指出：“与FinFET相比，除了具有更好的栅极控制能力以外，GAA堆叠的纳米线还具有更高的有效沟道宽度，能够提供更高的性能。”

  台积电与三星的分歧

  台积电和三星在5nm、7nm节点继续使用FinFET(鳍式场效应管)结构，但是3nm工艺的晶体管结构选择出现分歧。三星确认将率先在3nm的工艺节点上使用GAAFET，台积电则更保守的使用FinFET结构。只是台积电使用FinFET工艺知识权宜之计，工艺制程来到3nm之后，鳍片(Fin)宽度达到5nm(等于3nm节点)时，FinFET将接近实际极限，再向下就会遇到瓶颈。

  因此，有消息称台积电也将在2nm工艺节点将转向GAA架构，全新的MBCFET架构以GAA制程为基础，可以解决FinFET因为制程微缩而产生的电流控制漏电等物理极限问题。2nm或将是FinFET结构全面过渡到GAA结构的技术节点。在经历了Planar FET、FinFET后，晶体管结构将整体过渡到GAAFET结构上。 

  台积电选择在第一代3nm工艺继续使用FinFET技术，处于多方面的考虑。首先是相同的制程技术与制造流程下，无需不用变动太多的生产工具，就能实现从FinFET切换到GAA，具有不错的成本优势。特别是先进工艺晶圆的设计成本，会让客户更加谨慎的选择制造工艺。根据早前曝光的设计奋勇来看，5nm的晶圆开发费用高达4.76亿美元，3nm甚至2nm只会更高。

  在先进制程的开发里变更设计，无论是改变设计工具或者是验证和测试的流程，都会是庞大的时间和经济成本，帮助客户降低生产的成本。。台积电首席科学家黄汉森强调，选择FinFET工艺是从客户角度出发的，成熟的FinFET结构产品性能会更加稳定。

  三星方面，最近几年的晶圆制造出与追赶阶段，他们需要在3nm时代寻找技术架构差异化，拉近与台积电芯片代工方面的技术差距，用更激进的策略来获取客户的青睐。IBS首席执行官Jones表示：“与3nm FinFET相比，3nm环绕闸极具有更低的阈值电压，可能带来15%到20%的功耗降低，在某种程度上提供更多的性能。”

  未来晶体管结构

  市场对于高性能芯片的渴望在不断推动技术的进步，新的GAA技术让3nm节点工艺成为现实。但是在GAA之后，半导体又有可能往哪些方向发展？

  Forksheet FET 

  随着未来向更小制程的继续，将要求标准单元内nFET和pFET器件之间的间距更小。但FinFET和Nanosheet的工艺限制n-to-p器件之间的间距。除了Nanosheet，还有一些属于“全栅”类的其它技术选项。为了扩大这些器件的可微缩性，IMEC提出一种创新的架构，称为Forksheet FET。 

（编辑：555手机网）

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