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3nm的竞争—三星的多桥通道场效晶体管

  • 林育中

产业观察预计三星的3nm会在2021量产,稍早于竞争者。三星电子

三星在5月刚开过的代工论坛中宣布了3nm的工艺,从原来的鳍式场效晶体管(FinFET)改为多桥通道场效晶体管(Multi-Bridge-Channel FET;MBCFET)。这是闸极全环场效晶体管(Gate-All-Around FET;GAAFET)的一种,不是新创举,但是现在元件物理严苛的要求让其实施的必要性成熟了。

制程微缩,晶体管中的通道跟著微缩变短了,通道两端的源极和汲极在即使晶体管处于关的状态也会有漏电流及其伴随的热耗散,这叫做短通道效应。改善的办法之一是改变晶体管的结构,尽量增加闸极和通道的接触区域-中间当然隔著介电质。

首先实施的是FinFET,从现在一般实施的制程来看,闸极只围绕著通道的三面,对衬底的那边网开一面。从整体的结构来看,制程由于闸极的长相由平面变成三维的。而命名为鳍式FET主要是因为闸极覆盖的通道与延伸出至源极与汲极的连接整个形状像极鱼鳍。

到了5nm以下,由于静电效应,FinFET又不灵了,与FinFET概念类似的GAAFET(Gate-All-Around FET)开始被考虑—至少三星是这么认为的。GAAFET基本上用闸极与介电质将通道包的密实,更大幅度的降低短通道效应。它实施的方法大致分为两类:nanowire通道和nanosheet通道。前者像一根同轴缆线由里至外为通道、介电质和闸极。Nanowire虽然在低功率表现不俗,却很难制造,所以目前不是首选。

Nanosheet的想法其实出现甚早,早在FinFET概念出现的2000年左右便也问世,2003第一篇有详细制程的论文已出现,由三星目前半导体事业负责人金奇南(Kinam Kim)等人著所。有趣的是,其制程与3D NAND有几分相似,但想来也合理。一是那是3D NAND概念刚进入产业的年代,二是Nanosheet用于MBCFET内的形状是上下堆叠,因此无可避免的需要用到3D制程。

MBCFET从侧面看闸极之下有多层的nanosheet,各覆以介电质,其功用就是传统的通道。Nanosheet左右各是源极和汲极。由于有多层的nanosheet桥接源极和汲极,所以命名为MBCFET。由于有多层的nanosheet垂直堆叠,其制程最开始是在绝缘层上沈积一层SiG、一层Si,重复几次再蚀刻、外延出所要的结构。这与3D NAND的起始制程是一层SiO2、一层Si颇为类似。

这样做有什么好处呢?由于有多层通道,它可以驱动较大电流,开关速度也较快。三星拿它第一代的3nm制程与其7nm制程相较,操作电压自0.75V降到0.7V,效能增长1.35倍,面积缩小0.65倍,而恼人的短通道效应自然是控制在可接受的范围内。是不是真这样,拭目以待罗!

产业观察预计三星的3nm会在2021量产,稍早于竞争者,对于竞争对手,这自然是警讯。有两点值得注意,一是2003年的那篇文章是三星和成均馆大学的合作成果结果,以前好像没有见过台湾的公司将如此核心的研究计划以产学合作的方式来共同硏发,对于公司外的优秀心智是可惜了。另外,MBCFET的制程技术我想有几分灵感是来自于3D NAND,对于探索未来的方向,专一未必占优势!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。