芯片工程師，是時(shí)候了解GAA晶體管了

雖然只有12年的歷史，但finFET已經(jīng)走到了盡頭。從3nm開始，它們將被環(huán)柵 (GAA)取代，預(yù)計(jì)這將對(duì)芯片的設(shè)計(jì)方式產(chǎn)生重大影響。

如今，GAA主要有兩種類型——納米片和納米線。關(guān)于納米片以及納米片和納米線之間的區(qū)別存在很多混淆。業(yè)界對(duì)這些設(shè)備仍然知之甚少，或者某些問題的長期影響有多大。與任何新設(shè)備一樣，第一代是一種學(xué)習(xí)工具，隨著時(shí)間的推移會(huì)不斷改進(jìn)。

我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行此更改？imec 研發(fā)副總裁 Julien Ryckaert 表示：“如果 finFET 間距可以繼續(xù)縮小，人們就會(huì)繼續(xù)使用 finFET?！?“問題是 finFET 不能簡單地?cái)U(kuò)展，因?yàn)槟阈枰趦蓚€(gè)鰭之間插入柵極、功函數(shù)堆棧。根據(jù)這些設(shè)備構(gòu)造的性質(zhì)，您不得不將兩個(gè)鰭片分開 15 到 20 納米。所以你有這個(gè)懸崖。由于這種量化，如果你繼續(xù)將標(biāo)準(zhǔn)單元縮放 1 納米，你的活動(dòng)區(qū)域就會(huì)減少 1 納米，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)Fin消失。

那一刻人們說，我們需要找到解決方案。

圖1：平面晶體管與 finFET與gate-all-around

環(huán)柵 (GAA) 類似于 finFET。“FinFET 將平面晶體管翻轉(zhuǎn)過來（見圖 1），這樣鰭片（Fin）高度就變成了等效平面晶體管的寬度，”Atomera 的首席技術(shù)官 Robert Mears 說。“由于加工限制固定了鰭片高度，晶體管寬度只能通過使用額外的鰭片以離散量變化。GAA 返回到平面幾何形狀，但現(xiàn)在具有垂直堆疊的平面納米片。因此，原則上，寬度可以連續(xù)變化?！?/p>

那不太可能發(fā)生。“因?yàn)樗瞧矫娼Y(jié)構(gòu)，所以在調(diào)整有效寬度方面會(huì)有更大的靈活性，理論上你可以連續(xù)改變板材（ sheet）寬度，”imec 的 Ryckaert 說。“但是，代工廠很可能會(huì)限制設(shè)計(jì)人員使用任意納米片寬度的能力，并且他們會(huì)強(qiáng)制限制?！?/p>

這很可能是因?yàn)閯?chuàng)建模型需要時(shí)間和難度。“每個(gè)設(shè)備尺寸都必須單獨(dú)表征、鑒定和建模，這增加了開發(fā) PDK 的成本，”Atomera 的 Mears 說?！霸趲旒?jí)別，我們可以期待更好地優(yōu)化邏輯和 SRAM，使用寬度作為附加變量來優(yōu)化功率性能權(quán)衡?！?/p>

可變性推動(dòng)GAA

但轉(zhuǎn)向GAA的最大問題是可變性，這是產(chǎn)量和性能的關(guān)鍵因素。

Synopsys TCAD 產(chǎn)品組研究員 Victor Moroz 說：“假設(shè)你有技術(shù) A（見圖 2），其中晶體管強(qiáng)度有一定分布，這是通過晶體管的驅(qū)動(dòng)電流來衡量的”. “有一些名義上的行為和一些分布。芯片上的十億個(gè)晶體管不可能是一樣的。有些略有偏差。通常，它類似于高斯分布。對(duì)電路設(shè)計(jì)人員來說重要的不是標(biāo)稱行為，而是工藝角，類似于標(biāo)稱減去三西格瑪。假設(shè)您有另一種技術(shù) B，它具有更好的標(biāo)稱性能，但具有更大的可變性。如果它相當(dāng)寬，可能是設(shè)計(jì)人員被迫設(shè)計(jì)到這個(gè)工藝角落，然后再好的標(biāo)稱性能也沒用。GAA 技術(shù)是一種控制甚至可能減少可變性的方法?！?/p>

圖2：可變性的影響

隨著finFET變小，可變性增加。Ryckaert說：“當(dāng)finFET進(jìn)入一個(gè)鰭時(shí)，可變性會(huì)變得非常成問題。”“有很好的跡象表明，導(dǎo)致變異的機(jī)制可能在納米片中得到更好的控制。finFET的一大問題是鰭片輪廓，它會(huì)在鰭片底部引起相當(dāng)大的可變性。對(duì)于納米片，因?yàn)槟菑木哂型庋由L的預(yù)定義超晶格開始的，所以這些堆疊由原子控制。納米片的厚度被控制到原子，因此你的片材厚度，這是一個(gè)非常重要的變化來源，將有更好的控制?！?/p>

Nanosheet 與 nanowire

這些術(shù)語幾乎可以互換使用，但它們不是一回事?！凹{米線是一種通過讓柵極環(huán)繞圓形硅通道來完全控制溝道的想法，”Ryckaert 說?！澳鞘悄憧梢垣@得最佳靜電和最佳溝道控制的地方?！?/p>

但這是一個(gè)權(quán)衡?！半m然納米線確實(shí)改善了短溝道控制，但由于其幾何尺寸小，通常為 5nm x 5nm 的數(shù)量級(jí)，它會(huì)降低驅(qū)動(dòng)電流，”Mears 說?！凹{米片結(jié)構(gòu)介于 finFET 和納米線之間。片材的高度同樣約為 5 納米，但寬度要大得多并且可以連續(xù)變化。柵極靜電控制比 finFET 好，但比納米線差，因?yàn)殡m然納米片的柵極確實(shí)包圍了所有四個(gè)邊（因此稱為“環(huán)繞柵極”一詞），但其較大的寬度導(dǎo)致邊緣上的柵極控制較少。另一方面，與兩者相比，納米片的驅(qū)動(dòng)電流有了很大改善。目前的 GAA 結(jié)構(gòu)應(yīng)該被描述為納米片而不是納米線?！?/p>

SRAM 推動(dòng)妥協(xié)。“納米片厚度約為 5 納米，寬度約為 20 或 30 納米，”Synopsys 的 Moroz 說。“這對(duì)于邏輯來說是典型的。但對(duì)于 SRAM 來說，沒有足夠的空間來設(shè)置寬通道，因此對(duì)于 SRAM 來說，通道寬度將是 10 毫米或更小，這幾乎是納米線?！?/p>

現(xiàn)在你必須處理后果。“納米線更適合靜電學(xué)，但那個(gè)圓的周長非常小，”Ryckaert 說?！澳阈枰獦?gòu)建整個(gè)柵極，以及它周圍的這個(gè)大源漏極，這將引入與平板中一樣多的寄生效應(yīng)，但驅(qū)動(dòng)器非常差。對(duì)于非常小的電流，您只會(huì)產(chǎn)生很多寄生效應(yīng)。僅僅因?yàn)閹缀涡螤?，納米片對(duì)于 SRAM 來說是一個(gè)非常糟糕的主意。鰭的足跡是五納米。納米片強(qiáng)制寬度為 15 納米或 20 納米，所以這只是你消耗的空間，這意味著你的 SRAM 無法與納米片一起縮放?！?/p>

SRAM 的可變性也會(huì)導(dǎo)致問題。“對(duì)于邏輯，電路有一定的深度，”Moroz說?！跋胂笠幌履愕木w管沿著那條路徑隨機(jī)變化，但因?yàn)槟憧赡苡?15 個(gè)階段，所以會(huì)進(jìn)行一些自我平均。對(duì)于 SRAM，您所擁有的只是兩個(gè)并排的反相器?？偣灿袃蓚€(gè) NMOS 和兩個(gè) PMOS 晶體管，如果它們不匹配，那就是問題所在?！?/p>

還有其他問題?！皳诫s劑的可變性會(huì)導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生顯著變化，”Mears 補(bǔ)充道?！半S機(jī)摻雜波動(dòng) (RDF) 的可變性會(huì)導(dǎo)致器件之間的顯著差異——甚至是匹配的器件——這會(huì)導(dǎo)致 SRAM 性能和產(chǎn)量降低，并在邏輯器件的時(shí)序模型中增加額外的最壞情況保護(hù)帶?！?/p>

有多少個(gè)sheet？

GAA 制造中的另一個(gè)變量是納米片的數(shù)量?！癙PAC（功率、性能、面積/成本）限制將推動(dòng)更多層，特別是隨著納米片繼續(xù)擴(kuò)展，”Mears 說。“例如，假設(shè)其他一切都保持不變，從 3 個(gè)納米片層到 4 個(gè)納米片層可將性能提高近 33%，但芯片尺寸應(yīng)保持不變，晶圓加工成本應(yīng)該只會(huì)小幅增長。GAA 經(jīng)濟(jì)學(xué)依賴于堆疊多個(gè) GAA 片材（sheet）以獲得有效密度，因此增加層數(shù)的壓力肯定會(huì)增加?！?/p>

但這并不是完全可變的?！昂茈y相信它會(huì)被限制在兩個(gè)，而且超過五個(gè)也將非常困難，”Ryckaert 說?！斑@歸結(jié)為簡單的數(shù)學(xué)。僅通過計(jì)算電容和溝道寬度即可得出 90% 的答案。您還需要計(jì)算在特定硅區(qū)域周圍需要封裝的源極-漏極和柵極之間的表面面積。周長對(duì)最大化驅(qū)動(dòng)和最小化電容至關(guān)重要。最大化驅(qū)動(dòng)和最小化電容只是表面與周長的比率。如果您比較三鰭 finFET 器件，則沒有納米片結(jié)構(gòu)可以擊敗它。但由于 finFET 的量子化特性，單元高度損失一納米意味著一個(gè)鰭消失了。納米片為您提供邏輯縮放所需的納米縮放。然后與 finFET 相比，納米片將開始發(fā)光。這種情況發(fā)生在大約三到四張紙上。僅僅因?yàn)樵礃O-漏極的電阻和結(jié)構(gòu)的電阻，五張紙就無法工作。您意識(shí)到第五層剛好足以驅(qū)動(dòng)您為使結(jié)構(gòu)更高而添加的寄生效應(yīng)。你只是在自己的結(jié)構(gòu)中消耗電流?！?/p>

在芯片內(nèi)改變它也沒有什么意義?！案淖兺恍酒系膶訑?shù)并不容易，”Moroz說?！耙坏┠銢Q定了某個(gè)數(shù)字，它可能會(huì)適用于整個(gè)芯片。對(duì)于高性能計(jì)算，最好使用四層。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，最好使用三個(gè)?！?/p>

性能

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都希望降低電壓和功率?！皦毫κ冀K存在以降低電壓供應(yīng)，從而降低功率，但 Vt 受到限制，”Mears 說?！八荒苓M(jìn)一步降低，因?yàn)樗怯?Ioff 規(guī)范和有限亞閾值斜率 (SS) 設(shè)定的，由于熱力學(xué) (kT/q)，它不能低于每十年 60mV。目前正在研究可進(jìn)一步降低 SS 的新型電路元件，例如來自鐵電柵極電介質(zhì)的“負(fù)電容”，但這些元件不會(huì)很快投入量產(chǎn)。另一個(gè)對(duì) Vdd 的限制是 SRAM Vmin，它為給定的錯(cuò)誤率設(shè)置最低可能的電源電壓。由于嵌入式 SRAM 通常是電壓降低時(shí)最先出現(xiàn)故障的塊，因此 Vmin 通常設(shè)置最小電源電壓?！?/p>

功耗會(huì)有一定的提升。Moroz 說：“過去十年以及未來的每一項(xiàng)后續(xù)技術(shù)都會(huì)讓您在相同性能的情況下降低 20% 左右的開關(guān)功耗。” “泄漏受可變性的影響，因?yàn)閷?duì)于泄漏而言，更重要的是晶體管泄漏的快速角。因此，具有更嚴(yán)格的可變性有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

但是關(guān)于功耗還有未知的方面?！耙环N熱源是自熱或焦耳熱，” Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說?！笆褂?GAA，這些門中有多個(gè)納米片，它們被絕緣體包圍，絕緣體不太好。設(shè)備自熱會(huì)有所不同，但我們還沒有足夠的信息來了解它的影響有多大。我們最終將從鑄造廠獲得這些數(shù)字。局部熱源會(huì)導(dǎo)致熱尖峰，這會(huì)影響對(duì)溫度呈指數(shù)級(jí)敏感的電遷移。如果局部有幾個(gè)晶體管趨于變熱，那么與芯片平均值相比，周圍金屬中的電遷移分布會(huì)有所不同。你不能只使用平均值?！?/p>

接下來是什么？

很明顯，隨著設(shè)備的縮小，變化將成為常態(tài)。“我們希望看到納米片至少用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，但在那之后縮放納米片結(jié)構(gòu)將變得非常棘手，”Ryckaert 說?！拔覀兲岢隽?forksheet，它是對(duì) nanosheet 概念的改編。它具有縮放屬性，可以啟用另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后是 CFET（互補(bǔ) FET 堆疊），它的靈感來自納米片，但采用堆疊配置（見圖 3）?！?/p>

GAA 的壽命可能與 finFET 相似?！八芸赡軙?huì)存在 10 年，”Moroz說?！暗?2030 年左右，我預(yù)計(jì)該行業(yè)將轉(zhuǎn)向堆疊晶體管，其中兩個(gè) GAA 晶體管堆疊在一起。有些人稱之為 CFET、互補(bǔ) FET 或堆疊晶體管?！?/p>

圖3.邏輯技術(shù)路線圖

那就是它變得有點(diǎn)困難的時(shí)候?！霸?CFET 之后，我們完成了二維集成電路，”Moroz補(bǔ)充道。“對(duì)于邏輯，我們預(yù)計(jì)晶體管密度將停止在每平方毫米約 500 萬個(gè)晶體管的密度，而對(duì)于 SRAM，這將是每平方毫米 10 億個(gè)晶體管。然后我們就卡住了，因?yàn)殡m然你可以隨心所欲地?cái)D壓晶體管，但一切都會(huì)受到連接晶體管的電線的限制。唯一的出路是堆疊小芯片?！?/p>

審核編輯：湯梓紅