3D 晶體管的轉(zhuǎn)變

從 2011 年開始，英特爾和其他領(lǐng)先的半導(dǎo)體行業(yè)實現(xiàn)了顯著的技術(shù)轉(zhuǎn)型。該行業(yè)首次開始生產(chǎn)三維晶體管——主要稱為鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）。

平面

幾十年來，半導(dǎo)體行業(yè)的構(gòu)建模塊是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或 MOSFET。這種晶體管在反相器、與非門和 SRAM 單元等數(shù)字電路中非常常見。它由位于連接源極和漏極的通道頂部的柵極組成。

源極和漏極基本上只是摻雜有其他元素原子的硅區(qū)域，用于提供或接收電子。兩者之間還有一層薄薄的絕緣層——通常由氧化硅制成。閘門本身并不穿過通道。

除了這個柵極及其絕緣層之外，整個東西都是平坦的或平面的。該柵極可以允許電子沿著溝道從源極移動到漏極。關(guān)閉柵極，電子流動停止。

經(jīng)典縮放

在半導(dǎo)體行業(yè)的最初幾十年里，新的工藝節(jié)點只需縮小晶體管的物理尺寸并將更多晶體管塞到芯片上即可實現(xiàn)性能、功耗和面積增益，這稱為經(jīng)典縮放。集成電路工作得更好，因為電信號在每個晶體管之間傳播的距離更短。

正如 IBM 研究人員 Robert Dennard 在 1974 年提出的那樣，第二個但同樣重要的好處是，這些較小的晶體管也使用更少的功率。摩爾定律推動半導(dǎo)體行業(yè)每三年將晶體管的線性尺寸減少一半。20 世紀(jì) 80 年代，尺寸首次降至 1 微米以下。

泄漏

大約在那個時候，人們開始注意到他們的晶體管開始表現(xiàn)得有點奇怪。隨著晶體管的物理尺寸縮小，源極和漏極變得越來越靠近。柵極和溝道之間的絕緣層變得更薄，為 1.2 納米或 5 個原子寬，而且通道本身也變得更細(xì)。

這樣，柵極對電流從源極到漏極的控制就會變?nèi)?。然后基本上發(fā)生的是電流從源極流向漏極時「潛入柵極下方」。即使閘門關(guān)閉，電流也可以可以穿過離柵極最遠(yuǎn)的溝道部分，或者在某些情況下甚至穿過硅襯底本身。這被稱為「短溝道效應(yīng)」，到 20 世紀(jì) 90 年代中期（350 納米工藝節(jié)點），它已成為一個嚴(yán)重的工業(yè)問題。

除了不可預(yù)測的行為之外，還存在嚴(yán)重的功耗問題。這種泄漏意味著這些較小的晶體管不遵循登納德縮放比例。

按照事情的發(fā)展方式，晶體管在「關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)下消耗的能量與「開啟」?fàn)顟B(tài)下消耗的能量一樣多。這是因為消費電子產(chǎn)品開始變得更加便攜，從而對電源效率提出了更高的要求。

研究人員很快意識到他們正在打一場必敗之仗。經(jīng)典 MOSFET 結(jié)構(gòu)有一個最終終點，實際的最終尺寸限制在 20 納米左右。1996 年，憑借 250 納米的領(lǐng)先優(yōu)勢，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）意識到該行業(yè)沒有 2002 年（5 年后）之后的長期計劃。他們呼吁提出有關(guān) 25 納米以下器件的研究提案，名為 25 納米開關(guān)。

25 納米開關(guān)

DARPA 收到了來自 IBM、AT&T，當(dāng)然還有斯坦福大學(xué)的 10-12 份提案。然而，所有這些都只是原始 MOSFET 結(jié)構(gòu)的延伸。這不是 DARPA 想要的。他們想要一些雄心勃勃且可行的東西。

獲勝者來自加州大學(xué)伯克利分校胡正明教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊。胡教授于 1976 年加入伯克利分校。早期，他研究了混合動力汽車等能源主題。但里根政府上臺后，美國政府的資金很快就枯竭了，里根政府轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體研究。

1982 年，胡先生休假到美國國家半導(dǎo)體工作。在那里，他有機會從前線看到平面晶體管的終結(jié)。在聽說 DARPA 向伯克利分校的一位教員征集提案后，他召集了一批工作人員，并在一周內(nèi)提出了最終提交的提案。該提案題為「太比特級電子器件的 25 nm FET 的新穎制造、器件結(jié)構(gòu)和物理原理」，提出了兩個想法，都集中在讓柵極更好地控制通道本身的想法。

第一種稱為全耗盡絕緣體上硅或 FD-SOI。如果電子使用硅基板不適當(dāng)?shù)匾苿?，那么我們會在硅基板頂部添加一層新的絕緣層以防止這種情況發(fā)生。

FDSOI 取得了一定的成功。業(yè)界已將其用于模擬或電力電子等特定用途。第二個想法是胡教授在一次長途飛行中勾勒出來的——FinFET。

FinFET 崛起

正如前面提到的，重點是讓門能夠更好地控制通道。

傳統(tǒng)的平面源極、漏極和溝道都是平坦的，大門位于其頂部。FinFET 將平面源極、漏極和溝道轉(zhuǎn)向一側(cè)，使其升起至周圍區(qū)域上方，并賦予其 3D 鯊魚鰭外觀。然后將門包裹在通道的頂部和側(cè)面，而不是僅僅坐在通道的頂部。

FinFET 的主要優(yōu)點是它允許柵極在三個側(cè)面環(huán)繞溝道。相比之下，舊平面晶體管上的柵極僅覆蓋一側(cè)的溝道。此外，F(xiàn)inFET 的物理占用空間也更小。這意味著我們可以繼續(xù)將更多的它們填充到同一塊平面上。

這不是什么新主意了。之前曾提出過兩個概念上相似的提案，但這些想法都沒有被實施或變成真正的發(fā)明。

第一個來自日立公司的研究員 D. Hisamoto。早在 1990 年，他就提出了將柵極包裹在溝道周圍并制作 3D 晶體管的想法。他的論文將其稱為「完全耗盡精益溝道晶體管」或 DELTA。久本則受到德州儀器 (TI) 在 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)表的一篇呼吁「溝槽晶體管」的論文的啟發(fā)。

發(fā)明

如果沒有執(zhí)行，這個概念就毫無用處，沒有人知道這些晶體管是否可以擴展到 25 納米或更小的世界。因此，在 DARPA 的資金支持下，胡先生和他的團(tuán)隊花了四年時間制作了一個可工作的 FinFET 器件的原型。

至關(guān)重要的是，該團(tuán)隊可以自由地追求這一長期目標(biāo)，但也有能力利用私營和公共部門的不尋常資源。這包括斯坦福大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實驗室的設(shè)備和設(shè)施。

2001 年，DARPA 項目進(jìn)入尾聲，胡的團(tuán)隊公布了他們的研究結(jié)果。人們很快意識到 FinFET 是一項巨大的創(chuàng)新技術(shù)。但同樣重要的是，F(xiàn)inFET 并沒有太大的破壞性。該團(tuán)隊確保仍然可以使用傳統(tǒng)的光刻和蝕刻工具來制造它。

這樣，半導(dǎo)體行業(yè)就可以獲得其想要的更好的性能和功效，而無需放棄數(shù)十億美元的設(shè)備和數(shù)十年的經(jīng)驗。

應(yīng)變工程

即便如此，半導(dǎo)體行業(yè)仍然是一個保守的行業(yè)。FinFET 發(fā)布后，他們并沒有立即采用，而是選擇了短期措施來避免 MOSFET 的末日。

對于 2000 年代初的 90 至 45 納米節(jié)點，業(yè)界采用了基于應(yīng)變或應(yīng)力的工程。在這里可以將「應(yīng)變」硅層添加到通道中，通常位于硅-鍺緩沖層的頂部。

應(yīng)變，意味著硅的晶體原子層被拉伸。這有助于提高電子穿過通道時的移動速度。這也不容易做到，需要工程師使用外延生長這些應(yīng)變硅層。

高 K 金屬柵極

然后，在 2009 年至 2010 年的 28 納米工藝節(jié)點，英特爾及其團(tuán)隊在其晶體管中實施了一種新型柵極。這被稱為高 K 金屬柵極。

還記得柵極和溝道之間有一層二氧化硅絕緣層嗎？對于高 K 金屬柵極，我們用氧化鉿等高 K 金屬制成的一層取代了二氧化硅層。這種高 K 值（相對于傳統(tǒng)二氧化硅而言較高）使相反的電荷在其所屬位置彼此分開。

這個概念也不容易實現(xiàn)。這導(dǎo)致了「Gate First or Gate Last」困境，導(dǎo)致行業(yè)分裂，并使得大量半導(dǎo)體制造商失去了領(lǐng)先優(yōu)勢。

是時候轉(zhuǎn)向 3D 了。

三門

對于 28 納米（22 納米）之后的下一個大節(jié)點，英特爾選擇實施一種 3D 設(shè)備，他們稱之為三柵晶體管。

Tri-Gate 是原始 FinFET 的后代。最初的裝置在鰭周圍的兩個側(cè)壁上各有兩個柵極，稱為雙柵極 FinFET。

隨著時間的推移，業(yè)界發(fā)現(xiàn)這些選擇不會產(chǎn)生效果。他們對其進(jìn)行了修改，以創(chuàng)建英特爾最終交付的產(chǎn)品，鰭的所有三個暴露側(cè)面上都有三個柵極層。

因此，三門形容詞。無論如何，大多數(shù)人和我一樣將它們稱為 FinFET。

過渡

從原型到批量生產(chǎn)始終充滿挑戰(zhàn)。翅片的幾何形狀（寬度、高度等）以及翅片之間的間距（稱為翅片間距）對其整體性能起著重要作用。這些都非常細(xì)節(jié)，在 20 納米或更小的工藝節(jié)點上，鰭片的寬度僅為 10 納米。

鰭片間距約為 60 納米。數(shù)以百萬計的納米級翅片的制造必須具有極小的變化。與一系列新的多重圖案技術(shù)同時出現(xiàn)，這是極其困難的。繼英特爾之后，所有代工廠都在努力擴大其首款 FinFET 產(chǎn)品的良率，從而導(dǎo)致了延誤。

臺積電和三星終于在 2013 年憑借他們所謂的 16/14 納米工藝實現(xiàn)了跨越。GlobalFoundries 于 2014 年加入了自己的 14 納米工藝，他們從三星獲得了工藝許可。

全柵 Gate All Around

FinFET 在 N7 和 N5 代中表現(xiàn)良好。但最近這些也正在失去效力。代工廠正在盡一切努力來提高性能——例如，使鰭越來越高——但最終需要一套新的架構(gòu)。業(yè)界已決定采用 Gate all around 作為新架構(gòu)。

FinFET 工作得更好，因為它的柵極覆蓋了通道上更多的表面積，以便更好地控制。周圍的門通過完全包圍通道，甚至從以前不是的底部，進(jìn)一步推進(jìn)了這個想法。將柵極完全包裹在通道周圍還意味著我們可以在多個通道（或納米線）通過柵極時將它們堆疊在一起，很完美。

2022 年 6 月，三星開始發(fā)售采用全柵 FET 的 3 納米工藝。臺積電在其即將推出的 N3 工藝節(jié)點中堅持使用 FinFET。但他們將在下一個重大節(jié)點步驟 N2 中采用 Gate-all-around，該節(jié)點正在寶山建設(shè)中。

結(jié)論

這些 3D 晶體管是一個技術(shù)奇跡。但它們的價格并不便宜。FinFET 復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了成本，這意味著 28 納米（最后一個平面柵極）是每個柵極成本停止下降并再次開始上升的點。

當(dāng)只能向下蝕刻時，如何在納米線之間建立間隙？該解決方案涉及超晶格和一種稱為原子層沉積的新方法。這些新結(jié)構(gòu)使得除了最大的公司之外的所有公司都無法在經(jīng)濟上取得領(lǐng)先優(yōu)勢。在最近的一次采訪中，ASML 的首席技術(shù)官表示，他認(rèn)為我們已經(jīng)到達(dá)了光刻技術(shù)的極限。不是因為技術(shù)，而是因為經(jīng)濟可行性。