Planar、FinFET与GAA究竟改变了什么
平面MOSFET、FinFET和全环绕栅GAA晶体管的区别,在于栅极如何围绕沟道结构实施控制。常规平面器件控制靠近平坦表面的沟道;三栅FinFET把栅极布置在鳍的顶部和两侧;GAA则包围沟道截面,例如纳米线或纳米片。栅极与半导体之间仍由介质隔开。
本文比较的是几何结构与静电控制,不是给成品芯片排名。接触、材料、互连、工作条件和电路设计同样影响性能、功耗与成本。
Process map · 流程地图
用相同截面比较
图解沿垂直于源漏方向的平面切过沟道。电流方向进入或离开纸面,源极和漏极位于该截面之外。统一观察方向,可以避免把鳍高误当成栅长。
| 结构 | 栅极与沟道的关系 | 截面上应看什么 |
|---|---|---|
| 常规平面MOSFET | 栅极位于表面沟道上方 | 栅极与衬底表面之间有栅介质 |
| 三栅FinFET | 栅极位于鳍顶部和两个侧面 | 窄而凸起的半导体鳍 |
| GAA纳米片 | 栅极包围每张片的周边 | 半导体片与栅极之间由介质隔开 |
FinFET图表示常见三栅形式,更广义的FinFET家族也包含其他栅极配置。“GAA”描述栅极包围方式,“纳米片”描述沟道形状,所以GAA并不要求圆形沟道。
独立绘制的教学概念图,依据所引原理,不是课程工艺截面。
更多栅控为什么有帮助
沟道变短后,漏端更容易影响原本应由栅极控制的势垒。让栅极围绕薄沟道的更多表面,可以增强静电控制,帮助管理短沟道行为。但沟道尺寸和栅介质性质依然重要,仅凭架构名称无法确定漏电或开关性能。
假设一张彩色截面图没有尺寸、材料或偏置条件,你可以据此识别哪些表面朝向栅极,却不能可靠地计算速度或功耗优势。数值比较需要一致的假设,以及测量数据或经过适当验证的器件模型。
制造任务怎样变化
平面工艺围绕晶圆表面形成器件。FinFET集成还需要形成并保留狭窄凸起的鳍,再围绕其可接近表面构建栅结构;鳍的几何形状及其变异由此成为集成问题的一部分。
在常见的堆叠硅纳米片方案中,交替的沟道层与牺牲层使沟道片能够在完成环绕栅堆叠之前被释放。选择性去除必须保住沟道,片间空间还需要容纳介质和栅材料。内侧间隔层、源漏连接和接触又带来相关约束。这里给出的是概念序列,不是通用工艺配方。
因此,更多栅极包围同时带来机会与制造要求。图中画出完整包围的栅极,不能证明器件已具有低接触电阻、均匀片厚、优良界面或可接受的良率。
分清三种不同的比较
几何结构不等于栅材料。 高k金属栅HKMG描述介质与电极材料体系;Planar、FinFET和GAA描述沟道与栅极的空间关系。它们是相关的设计维度,不是互斥选项。
节点名称不是尺寸测量。 解读技术结果时,应查看实际栅长、鳍或纳米片尺寸及器件结构,不能从工艺节点标签推断所有几何尺寸。
器件架构不等于芯片跑分。 更好的静电控制有助于器件缩放,但芯片表现还受布线、负载、存储、电路选择和工作条件影响。本文不声称某一架构必然带来固定百分比的速度、功耗或面积收益。
参考来源
Silicon VLSI Technology - Full
James D. Plummer, Michael D. Deal, Peter B. Griffin
Silicon VLSI Technology · ISBN 978-0130850379
FinFET to GAA MBCFET: A Review and Insights
Rinku Rani Das, T. R. Rajalekshmi, Alex Pappachen James · IEEE Access