來源：旺材芯片

隨著5G、人工智能、元宇宙等新興科技產(chǎn)業(yè)快速崛起，發(fā)展低功耗、小尺寸、異質(zhì)整合及超高運算速度的芯片架構(gòu)技術(shù)，已成為全球半導(dǎo)體制造業(yè)者最重要的產(chǎn)業(yè)趨勢與決勝關(guān)鍵。而跨過5 納米世代后，未來芯片制程又將迎來哪些白熱化的競爭與發(fā)展趨勢？

在芯片的先進制程競賽上，自英特爾（INTEL）于2012 年在22 納米芯片引入創(chuàng)新立體架構(gòu)的「鰭式晶體管」（FinFET）之后，全球半導(dǎo)體業(yè)者都在此基礎(chǔ)上進行研發(fā)。目前最先進的5 納米制程，即是采用FinFET 架構(gòu)來制作。該技術(shù)已由臺積電（TSMC）拔得頭籌，于2020 年成功投入量產(chǎn)。

然而，當(dāng)未來制程要再微縮至 3 納米時，F(xiàn)inFET卻會產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。事實上，三星（Samsung ）已于近期趕在臺積電之前，發(fā)布了最新一代采用環(huán)繞式閘極場效晶體管（Gate-All-Around FET ；GAAFET ）的全新架構(gòu)3納米制程。究竟在新一輪芯片制程的巔峰決戰(zhàn)中，誰能最終勝出仍待觀察。

由于GAAFET 的芯片架構(gòu)相比于FinFET，能以更小的體積實現(xiàn)更好的功耗表現(xiàn)，實際可縮減45% 芯片面積、同時降低50% 的能耗。臺積電欲持續(xù)以FinFET 與三星GAAFET 在3 納米先進制程領(lǐng)域決戰(zhàn)，2022 年絕對是決定勝負(fù)至為關(guān)鍵的一年。

而對于眾所矚目的下一代2 納米制程，臺積電也已公開表示亦將采用GAAFET 架構(gòu)，并藉由導(dǎo)入低維度高電子遷移率材料以及特殊絕緣層材料等，來強化其在先進制程的競爭優(yōu)勢。GAAFET架構(gòu)儼然已成為下一世代延續(xù)莫爾定律（Moore‘s Law ）發(fā)展的最佳選項。

01、淺談鰭式芯片架構(gòu)原理與發(fā)展

隨著摩爾定律（Moore’s Law）的發(fā)展，從微米（μm）技術(shù)節(jié)點演進至現(xiàn)今的5 納米技術(shù)節(jié)點（圖一），以及預(yù)計將于2022 年量產(chǎn)的3 納米技術(shù)節(jié)點［1］，技術(shù)節(jié)點的數(shù)值越小，晶體管密度越高。

過去在平面晶體管（Planar FET）技術(shù)發(fā)展中，有兩項重要的技術(shù)突破：一是90 納米技術(shù)節(jié)點開始量產(chǎn)的應(yīng)變硅（strained Si），可提升硅通道的遷移率，增加電流；二是高介電常數(shù)／金屬閘極（high-k／metal gate），介電層的k 值越大，氧化層電容（Cox）越大，晶體管電流就越大，且可在相同的等效氧化層厚度（equivalent oxide thickness， EOT）下，以較大的物理厚度來降低漏電流。

▲圖一、臺積電的制程技術(shù)節(jié)點［1］。

隨著傳統(tǒng)的半導(dǎo)體尺寸微縮，晶體管的閘極長度（gate length）也逐漸減小。實際上，閘極長度和技術(shù)節(jié)點的數(shù)值是不相等的，且在22納米技術(shù)節(jié)點以后，閘極長度會大于技術(shù)節(jié)點的數(shù)值（圖二）。隨著晶體管的尺寸越來越小，傳統(tǒng)的微縮方式逐漸接近其物理極限，單純依循摩爾定律的尺寸微縮，已無法提供如預(yù)期般效能的成長。自22 納米技術(shù)節(jié)點（Intel）及16 納米技術(shù)節(jié)點（臺積電）開始，由胡正明院士團隊提出的鰭式晶體管（FinFET）開始被業(yè)界所采用，三維晶體管也成為現(xiàn)今先進半導(dǎo)體的主流結(jié)構(gòu)。

▲ 圖二、約略估計晶體管技術(shù)節(jié)點（Technology Node ）與閘極長度（Gate Length ）。圖片來源：臺大電子工程學(xué)研究所劉致為教授研究團隊

晶體管由傳統(tǒng)的平面式（圖三a）走向三維的立體結(jié)構(gòu)（圖三b），因為三面的閘極結(jié)構(gòu)（Tri-Gate）與魚鰭十分相似，所以稱為鰭式晶體管。鰭式晶體管具有比平面晶體管更大的等效寬度（effective width），可提高元件之電流密度，且其三維之結(jié)構(gòu)可增加通道控制能力，抑制短通道效應(yīng)（short channel effect）。

三維的鰭式晶體管結(jié)構(gòu)可降低次臨界擺幅（subthreshold swing， SS）與工作電壓，減少晶體管損耗功率（圖三c）。鰭式晶體管已從16 納米、10 納米、7 納米、5 納米、3 納米共發(fā)展了五代技術(shù)節(jié)點，為目前的主流元件結(jié)構(gòu)。

▲ 圖三、（a）平面晶體管示意圖（b）鰭式晶體管示意圖（c）電流–電壓關(guān)系圖。［2］

02、鰭式3 納米臺積電今年量產(chǎn)未來將采用閘極環(huán)繞式架構(gòu)

臺積電于2019 年國際電子元件會議（International Electron Devices Meeting， IEDM）宣布于5 納米技術(shù)節(jié)點量產(chǎn)擁有高遷移率通道（high mobility channel）之鰭式晶體管［3］。使用高遷移率通道，猶如駕駛跑車，速度更快，使晶體管的效能更佳。圖四［4］ 為臺積電于2021 年國際固態(tài)電路研討會（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）中所展示的高遷移率通道鰭式晶體管，由圖中可看出高遷移率通道與底部的硅材料具有明顯的對比，且皆有清楚的啞鈴狀結(jié)構(gòu)（dumbbell）。

臺積電預(yù)計于2022 下半年開始量產(chǎn)3 納米技術(shù)節(jié)點的全世代制程晶體管，與5 納米技術(shù)節(jié)點相比，3 納米技術(shù)節(jié)點的邏輯密度將增加約70%，在相同功耗下速度提升10-15%，或者在相同速度下功耗降低25-30% ［1］。

▲ 圖四、臺積電 5 納米技術(shù)節(jié)點的高遷移率通道鰭式晶體管 ［4］ 。? IEEE

為了進一步增加通道的控制能力與維持短通道效應(yīng)的抑制，必須改變晶體管之架構(gòu)。三星、臺積電、Intel 已宣布在3納米技術(shù)節(jié)點（Samsung ）和2納米技術(shù)節(jié)點（TSMC 、Intel 20A ）將采用閘極環(huán)繞式（Gate-All-Around， GAA ）的納米片（nanosheet ）結(jié)構(gòu)。

03、閘極環(huán)繞式晶體管架構(gòu)原理

閘極環(huán)繞式晶體管具有比鰭式晶體管更好的閘極控制能力，在先進技術(shù)節(jié)點將取代鰭式晶體管結(jié)構(gòu)，晶體管密度也將持續(xù)提升。使用GAA 晶體管結(jié)構(gòu)，猶如使用強力水龍頭，滴水不漏，使晶體管有效降低漏電流，更加節(jié)能省電。

為了增加晶體管的驅(qū)動電流，采用通道堆疊（channel stacking）的方法，在垂直方向增加通道數(shù)目，猶如建構(gòu)雙層高架橋，在相同占地面積下，可負(fù)載更多車流量，使晶體管擁有更高電流并增加晶體管密度，有效提升元件效能。圖五［5］ 為垂直堆疊納米片（stacked nanosheets）的結(jié)構(gòu)，可視作將FinFET 旋轉(zhuǎn)90 度并進行垂直堆疊，形成四面環(huán)繞式的閘極結(jié)構(gòu)。

有別于FinFET 的通道寬度（D Fin）是由微影制程（Lithography）所限制，stacked nanosheets 的通道厚度（D NS）可藉由磊晶（epitaxy）來決定，因此可精準(zhǔn)控制厚度。除此之外，stacked nanosheets 可往垂直方向增加通道層數(shù)，在相同的占地面積（footprint）下具有更大的等效寬度（effective width， W eff），提供更大的電流以提升晶體管效能。

磊晶（epitaxy）技術(shù)除了可精準(zhǔn)決定stacked nanosheets 的通道厚度外，也可以控制通道與通道之間的距離（suspension thickness， T sus），不會像FinFET 增加占地面積，且可以透過降低T sus的方式來減少元件的寄生電容（parasitic capacitance）。

▲ 圖五、鰭式晶體管（FinFET）與垂直堆疊納米片（Stacked nanosheets）之比較 ［5］ 。? IEEE

三星率先在2018 IEDM國際會議上宣布以Multi-Bridge-Channel FET （MBCFET ）之GAA 晶體管作為3納米技術(shù)節(jié)點之晶體管結(jié)構(gòu)（圖六 a，b ）［6］ ，其中提到MBCFET采用90%的FinFET制程，與現(xiàn)今業(yè)界之FinFET制程具有良好的相容性。

MBCFET 顧名思義，結(jié)構(gòu)與多層橋梁相似，實際上和前述的stacked nanosheets 是相同的結(jié)構(gòu)。與FinFET 相比，MBCFET 具有更好的閘極控制，在相同的面積下，也有更大的等效寬度以提供更大的驅(qū)動電流，并可依照不同的應(yīng)用來調(diào)整通道寬度，提高電路設(shè)計之彈性。

另一方面，IBM 的2 納米技術(shù)節(jié)點提出三層垂直堆疊的stacked nanosheets （圖六c）［5］，其通道寬度為40 納米、通道高度為5 納米、閘極長度為12 納米，并采用底部介電層絕緣（bottom dielectric isolation， BDI），能有效減少漏電流，降低芯片功耗。與7 納米制程技術(shù)相比，預(yù)計提升45% 的性能或降低75% 的耗能［7］。

▲ 圖六、（a， b）三星3納米技術(shù)節(jié)點之MBCFET ［6］ ? IEEE （c）IBM 2納米技術(shù)節(jié)點之三層垂直堆疊通道晶體管［5］ 。? IEEE

04、高層數(shù)通道堆疊的GAA 晶體管將成未來主流結(jié)構(gòu)

臺積電在2021 ISSCC 國際會議上展示三層垂直堆疊的stacked nanosheets 作為2 納米技術(shù)節(jié)點之晶體管結(jié)構(gòu)（圖七a），可提供更佳的性能及更低的次臨界擺幅［4］。Intel 則宣布2024 年將以RibbonFET（垂直堆疊四層的nanoribbons，也與stacked nanosheets 結(jié)構(gòu)相似）作為20A 技術(shù)節(jié)點之結(jié)構(gòu)（圖七b）［8］，并將于2025 年以優(yōu)化的RibbonFET 作為18A 技術(shù)節(jié)點之結(jié)構(gòu)。

由業(yè)界趨勢可見，高層數(shù)通道堆疊的GAA晶體管為未來晶體管之主流結(jié)構(gòu)。在2020 年超大型積體電路技術(shù)研討會（Symposium on VLSI Technology， VLSI）中，法國半導(dǎo)體研究機構(gòu)CEA-Leti 發(fā)表了七層的Si GAA nanosheets 晶體管（圖八）［9］。

▲ 圖七、（a）臺積電2納米技術(shù)節(jié)點之三層垂直堆疊通道晶體管 ［4］ ? IEEE（b）Intel 20A技術(shù)節(jié)點之四層垂直堆疊通道晶體管（RibbonFET ）［8］ 。

▲圖八、法國半導(dǎo)體研究機構(gòu) CEA-Leti發(fā)表之七層垂直堆疊硅通道晶體管［9］ 。? IEEE

05、由硅到鍺硅等晶體管通道材料發(fā)展

目前已發(fā)表的GAA晶體管，通道材料大部分以硅（Si ）為主，為了增加電路的運作速度，必須提升晶體管的驅(qū)動電流（垂直堆疊通道電流的總和），除了往垂直方向增加通道數(shù)目外，采用高載子遷移率（mobility ）的材料作為晶體管通道可進一步提高晶體管的驅(qū)動電流，例如鍺（Ge ）、鍺硅（GeSi ）、鍺錫（GeSn ）等新四族材料，具有優(yōu)于硅的電子及電洞遷移率，并且與現(xiàn)今業(yè)界的硅半導(dǎo)體制程技術(shù)有良好的相容性。

臺大電子工程學(xué)研究所劉致為教授研究團隊，于2021 VLSI國際會議上發(fā)表了八層鍺硅N型GAA晶體管（8 stacked Ge 0.75 Si 0.25 nanosheets ）（圖九左）［10］，擁有極高的通道均勻性。為進一步提高元件的驅(qū)動電流，將鍺硅通道的鍺濃度提升至95%，以提高通道之電子遷移率，并成功展示了世界首顆高效能七層鍺硅N 型GAA 晶體管（7 stacked Ge 0.95 Si 0.05 nanowires）（圖九右）［10］，此研究成果也獲國際頂尖期刊Nature Electronics 報導(dǎo)于Research Highlight ［11］。

由此可見，高層數(shù)堆疊之高遷移率通道GAA 晶體管為未來半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點的一大趨勢。其中磊晶（epitaxy ）與蝕刻（etching ）為高層數(shù)堆疊通道GAA晶體管最重要的兩大制程技術(shù)，藉由兩者的互相優(yōu)化才能成功制備高效能晶體管。目前臺大是業(yè)界以外，唯一能研發(fā)多層堆疊通道GAA晶體管的大學(xué)，也成為學(xué)界與業(yè)界接軌的重要橋梁。

▲圖九、本研究團隊發(fā)表之（左）八層 GeSi nanosheets ［10］（右）七層 GeSi nanowires ［10］ 。? IEEE

P 型晶體管方面，因為壓縮應(yīng)變的鍺錫（GeSn）材料擁有比純鍺和硅更高的電洞遷移率，可增加元件之驅(qū)動電流，成為通道材料的潛力之一。然而因鍺錫材料之能隙較小，元件具有較大之截止?fàn)顟B(tài)漏電流（I OFF）以及較小之開關(guān)電流比（I ON /I OFF），將造成元件功率耗損過大。此問題可藉由降低通道厚度來改善，隨著通道厚度變薄，受量子局限效應(yīng)（quantum confinement effect）影響使I ON /I OFF隨之上升，因閘極控制能力增強使次臨界擺幅（SS）下降。

然而當(dāng)通道厚度小于5nm 時因表面粗糙散射（surface roughness scattering）的影響，導(dǎo)致載子遷移率降低，故需搭配高堆疊、高載子遷移率之鍺錫通道，維持元件之驅(qū)動電流。因此研究團隊在2021 IEDM 國際會議上發(fā)表七層與八層堆疊鍺錫極薄通道P 型晶體管（7 stacked and 8 stacked Ge 0.9 Sn 0.1 ultrathin bodies）（圖十） ［12］，以鍺錫材料作為高遷移率通道（high mobility channel），優(yōu)化磊晶（epitaxy）與高蝕刻選擇比等向性干蝕刻（highly selective isotropic dry etching， HiSIDE）制程，制備出厚度為3 納米之極薄通道，有效降低元件之漏電流，且I ON /I OFF為鍺/鍺錫三維晶體管之世界紀(jì)錄，此篇論文也獲得2021 IEDM 最佳學(xué)生論文獎（Best Student Paper Award）。

▲圖十、本研究團隊發(fā)表之（左）七層與（右）八層鍺錫極薄通道［12］ 。? IEEE

06、臺積電、三星及英特爾下一步?jīng)Q戰(zhàn)GAAFET

綜上所述，高層數(shù)（highly stacked ）、高遷移率（high mobility ），以及極薄通道（ultrathin bodies ）之GAA晶體管將能使半導(dǎo)體芯片效能更高、更省電，進而使先進半導(dǎo)體科技不斷進步，為人類帶來更好的生活。

接下來，先進制程架構(gòu)將從FinFET 轉(zhuǎn)進GAAFET，臺積電、三星及英特爾在未來5 納米以下的GAAFET 技術(shù)發(fā)展上勢必也將展開一場白熱化的競賽。然而，值得注意的是，欲在未來半導(dǎo)體霸權(quán)時代取得技術(shù)領(lǐng)先地位，除了晶圓制造技術(shù)上須掌握優(yōu)勢外，系統(tǒng)封裝整合技術(shù)也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向。

而在GAAFET 世代之后，是否會有更為創(chuàng)新、可延續(xù)莫爾定律發(fā)展的新型晶體管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)？就讓我們拭目以待。

審核編輯：符乾江