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FinFET是否也要走到尽头了?

Posted on 2024-04-012024-05-18 by 李, 东霏

CMOS即Complementary MOSFET,由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成,因此也叫互补型MOSFET。CMOS可以说是现代集成电路的基石。

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在过去的20来年里,CMOS技术取得了重大进展。下面是COMS的演进,从双栅极、三栅极、π栅极、ω栅极到全栅极…..

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图MOSFET的演进来看FinFET,因为通道是垂直的,长得像鳍,因此叫鳍状场效应晶体管。自2011年开始,第一批使用FinFET的芯片问世,将半导体带入到25nm以下制程。在2012年,诞生第一款商用22nm的FinFET。后面不断对其性能进行改进和提升。

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图FinFET的结构

我们知道,FinFET比MOSFET更能阻断短沟道效应,从而实现晶体管缩放,因此FinFET代替了MOSFET。但FinFET也不是万能的!随着器件外形尺寸的不断缩小和性能需求的提高,因为没有足够的静电控制,漏电和信号干扰问题越发觉,特别是10nm后就面临很多问题,5nm之后就没有用了。所以,我们不禁要问,现在FinFET将走到尽头吗?我们先来看看FinFET在目前来看有啥缺点:FinFET在10nm及以下级别时,面临的主要问题有:

  • 短沟道效应:随着沟道长度缩短,源极和漏极之间的控制减弱,导致漏电流增大,静态功耗增加。
  • 阈值电压漂移:由于量子效应,当栅极长度继续缩小,栅极对沟道的有效控制力减小,导致阈值电压不稳定。
  • 面积效率:FinFET的三维结构虽然相对于平面MOSFET提高了驱动电流,但继续缩小Fin的高度和宽度将带来制造上的挑战和性能下降。
  • 边角效应:与侧壁的电场相比,边角的电场总是被放大。
  • 量化器件宽度。无法制作零碎的鳍片,只能以整鳍片的倍数来指定器件的尺寸。

当然还有成本制造等原因。因此,提出了GAA(Gate-All-Around),即全环绕栅极晶体管技术,将解决传统FinFET遇到这些问题。基于的具体原理是:GAA技术通过将栅极材料包裹住通道的四面包围,可以更好地控制通道中的电荷运动。GAA的结构如下图中的右半部分:可以看出GAA栅极在所有四个侧面都与通道接触,从而可以提供更好的电流控制。这跟当初FinFET相对MOSFET架构所做的类似。

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图FinFET和GAA

但目前来看,GAA技术还是比较新,据了解英特尔已经将其纳入Roadmap中,至于是否会成为下一代技术,我们拭目以待吧。

Category: 光器件与模块, 半导体

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博主
李东霏
【香农信息技术研究院】

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