一键解锁!晶体管结构工艺发展历程

从人工智能(AI)到5G、物联网(IoT)、再到自动驾驶汽车,半导体不知不觉已经成为第四次工业革命时代的核心技术之一。随着半导体技术的先进化和复杂化,半导体工艺也在快速发展。

随着下一代设备越来越小,半导体也逐渐小型化,集成度越来越高,超微工艺技术变得更加重要。

FinEFT,开启3D晶体管时代

晶体管是构成半导体的主要元件,起到控制电流的大小与开关的作用。其工作原理是通过对栅极(Gate)施加电压来控制源极(Source)和漏极(Drain)之间的沟道(Channel)能否产生有效电流,从而使晶体管处于开启或者关闭的状态。

平面型晶体管是一个平面(2D)结构,栅极和沟道与同一个表面接触。如果缩小晶体管尺寸,那么源极和漏极之间的距离变近,会导致栅极无法正常工作,发生漏电的短沟道效应等问题,因此,在降低工作电压方面存在局限性。

为改善这一点,一种叫“FinFET”的三维(3D)结构工艺技术得以开发。因为这种结构看上去像鱼鳍的形状,所以被称为鳍式场效应晶体管。栅极和通道间的接触面越大,效率越高。FinFET通过采用3D结构,使栅极和通道拥有三个接触面,增大了接触面积,提升了半导体性能。

新一代晶体管结构——GAA

在半导体工艺中,鳍式场效应晶体管虽一直被使用。但在4nm以下的工艺中,它存在工作电压无法持续降低的局限性。

为了解决这些问题,创建了新一代3nm GAA(全环绕式栅极)结构。在3nm及以下超精细电路中,引入GAA结构晶体管,其栅极包围着电流流经通道的四个侧面,从而将通道的调节能力最大化,能更精准控制电流流动,实现更高的电源效率。

MBCFET™(多桥通道场效晶体管)是一种改进的GAA结构。它改进了横截面直径约为1nm的线形通道,提升了获取足够电流的能力。

与7nm FinFET相比,MBCFET™能将晶体管体积减少45%,还能根据特性调节纳米片(nanosheet)宽度,因而具有很高的设计灵活性。此外,它与FinFET工艺高度兼容,能充分利用现有设施和制造技术。

文章来源:三星半导体