關於GAA製程技術必須知道的事

作者 : Majeed Ahmad

現在正是FinFET交棒給GAA,以協助半導體產業提升晶片微縮至下一階段的時候了。這一轉型道路上可能不會一帆風順,因為要打造GAA設計比起FinFET或平面電晶體更複雜得多了...

「環繞式閘極」(gate-all-around;GAA)半導體製造製程,又稱為環繞式閘極場效電晶體(GAA-FET),該技術透過降低供電電壓級以及增加驅動電流能力以提升性能,從而突破FinFET的性能限制。簡言之,GAA技術讓電晶體得以承載更多電流,同時保持相對較小。

當半導體產業從22nm進展到16nm製程節點,平面電晶體也過渡到FinFET電晶體,以降低功率洩漏、增強驅動電流、提高可擴展性、加快開關時間,為半導體邏輯元件促進整體更好的電晶體選擇。於是FinFET製造技術一路從22nm晶片進展至5nm晶片。

然而,正如所預期的,FinFET製程的微縮能力開始變得令人望而卻步。因此,業界需要新的IC製程技術進一步協助晶片繼續微縮。在此技術的十字路口,GAA成為最可行的post-FinFET電晶體技術。從電晶體的性能控制來看,該技術提供了顯著的優勢。

圖1:從平面電晶體到FinFET再到GAA電晶體的轉變,象徵著半導體製造生生不息的技術之旅。(資料來源:Lam Research)


綠色工程:革新的契機


當1986年首次展示GAA技術時,這種在實驗室中建構GAA電晶體,比起大規模製造基於GAA的晶片要容易得多了。三星電子(Samsung Electronics)於2022年夏以3nm處理器節點製造首款支援GAA的晶片,並於2000年代初期開始研究GAA電晶體。2017年,這家韓國晶片製造商開始試產GAA設計,並於2019年宣佈製程技術取得突破。

GAA:簡介

GAA是下一代半導體製程技術,比起FinFET具有兩項獨特的優勢。首先,GAA電晶體解決了許多有關洩漏電流的挑戰,因為GAA通道採用水平架構。GAA技術堆疊多個水平奈米片或奈米線,並在每一側面以閘極材料包圍這些通道,因而實現了比FinFET更高的載流能力——FinFET需要將多個垂直「鰭片」(fin)彼此並排放置以增加電流。

圖2:在GAA製程中,多個奈米線或奈米片水平堆疊在一起;相形之下,FinFET則需要將多個垂直「鰭片」彼此並排放置以增加電流。(資料來源:imec)

其次,GAA電晶體的四個側邊都被閘極包圍著。相較於當前FinFET製程中的三個側面,這種途徑由於讓閘極能夠接觸電晶體的四個側面,從而改善了電晶體的結構。因此,GAA結構比起FinFET製程更能精確地控制電流。

值得注意的是,GAA電晶體架構與FinFET有90%的相似性,其餘10%的差異在於其水平堆疊奈米片。這樣可以更有效地控制電流,從而提高電源效率。因此,相較於採用FinFET製程技術製造的晶片,使用基於GAA晶片的電子裝置執行速度更快,功耗也更低。

三星vs台積電

三星於今夏推出了採用這種新製造技術的首款晶片,稱其為GAA架構的多橋通道場效電晶體(Multi-Bridge-Channel FET;MBCFET)。據三星表示,該技術利用具有更寬通道的奈米片,相較於使用具有更窄通道奈米線的GAA技術,MBCDET可實現更高性能與更高能效。

針對這種基於奈米片的建置,奈米片的寬度是定義功率和性能特性的關鍵指標。換句話說,奈米片越寬,功率越高的性能越好。因此,專注於低功耗的電晶體設計可以使用更小的奈米片,而需要更高性能的邏輯晶片則可以使用更寬的奈米片。

三星多年來一直致力於從FinFET轉型,據報導,在其3奈米製程節點上的GAA製程設計良率很低。然而,以如此巨大的技術轉變來說,這一點都不令人意外。三星已經出貨了第一批支援GAA的晶片,第一家採用三星新晶片的客戶是來自中國的一家加密挖礦公司。

圖3:儘管三星推出了第一代GAA製程,但聲稱基於GAA的下一代MBCFET製程將更進一步改善功率、尺寸和速度指標。(來源:Samsung)

三星計劃在2023年推出第二代3nm晶片,並在2025年量產基於GAA的2nm晶片。這將為韓國這家大型晶圓廠提供穩定其GAA晶片良率以及在半導體製造曲線保持領先的空間,同時並試圖縮小與台積電(TSMC)的差距——台積電計劃在其2nm晶片上導入GAA製程,並於2026年左右發佈第一款基於GAA的晶片。

台積電仍將製造其3nm晶片,同時使用具有較低執行風險且業經考驗的FinFET架構。台積電聲稱已對其FinFET技術進行了重大更新,透過另一次製程節點技術迭代,實現性能和洩漏的微縮。

台積電正計劃於其第一代N2製程技術中開始採用GAA電晶體。顯然地,台積電正採取更加謹慎的態度,同時放緩採用GAA電晶體的速度。台積電過去一直採用這種方法,穩定地提供更一致的晶圓廠產品更新服務。

英特爾也已到位

FinFET半導體製程現已邁入第五代了,該技術一直是多年來的製造標準。現在第一代GAA晶片已經出現,大型晶圓廠可能會在未來幾年競相爭奪GAA技術霸權。以英特爾(Intel)為例,該公司目前正試圖趕上台積電和三星這兩大晶圓廠巨擘的雙頭壟斷地位。

英特爾以RibbonFET的名稱亮相其GAA技術;如同台積電一樣,英特爾也計劃在其2nm節點上採用這種新的半導體製造製程。除了PowerVia互連,英特爾還計劃在2024年中推出GAA RibbonFET電晶體,同時為新製程技術創建一種內部虛擬節點。

GAA製程技術是晶片微影技術的一項重要里程碑,隨著美國和世界其他地方前所未有的晶圓廠擴建潮,該技術可能變得更加重要。先進半導體製造領域的三家大廠——台積電、三星和英特爾,目前都已經有了完整的GAA製程路線圖。這意味著確定GAA將作為下一代晶片製造製程的地位。

近十年來,FinFET製程技術一直有效地服務於奈米節點,而今正是交棒給GAA以協助半導體產業提升晶片微縮至下一階段的時候了。然而,在這一轉型道路上可能不會一帆風順,因為要打造GAA設計比起FinFET或平面電晶體更複雜得多了。

編譯:Susan Hong

(參考原文:All you need to know about GAA chip manufacturing process,by Majeed Ahmad)

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