蘋果9月推出 A14 仿生芯片,，接著華為麒麟 9000 系列芯片也將隨Mate40 系列手機(jī)一起推出，而高通新一代驍龍 875也將在12月初發(fā)布,，相同的是芯片都將是采用5nm 工藝，同時(shí)也意味著半導(dǎo)體工藝 5nm 的時(shí)代正在全面到來,。

半導(dǎo)體的制程工藝，從 10nm 到 7nm 再到現(xiàn)在的 5nm,，進(jìn)化的幅度越來越小,，但每進(jìn)一步，都是整個(gè)行業(yè)付出巨大研發(fā)成本的結(jié)果,。相信大家平時(shí)刷新聞時(shí)已經(jīng)有所了解，芯片的制程工藝越來越小,，等于晶體管越做越小，當(dāng)工藝越來越接近極限時(shí),，難度就會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。

最好的例子就是芯片巨頭英特爾在 14nm 節(jié)點(diǎn)長達(dá) 5 年的停滯,，一度讓 “摩爾定律已死”的言論甚囂塵上,。好在另一方面,，臺(tái)積電和三星在制程技術(shù)上突飛猛進(jìn)，從 10nm 到 7nm 再到今年的 5nm,，一路順利推進(jìn)，并超越了英特爾,。

盡管后兩者在制程名稱上有玩 “數(shù)字游戲”的成分，但他們對(duì)推進(jìn)半導(dǎo)體制程技術(shù)進(jìn)化,、延續(xù)摩爾定律所做的貢獻(xiàn)有目共睹。

這些年來,，芯片制程工藝能夠不斷微縮，性能可以不斷增強(qiáng),，都有賴于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)以及學(xué)術(shù)領(lǐng)域的勇敢創(chuàng)新和不懈努力,。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步微縮，5nm 之后的 3nm,、2nm、1nm,，新的問題又會(huì)出現(xiàn),，甚至原來拯救摩爾定律的 3D FinFET 晶體管都將無法應(yīng)對(duì)極限微觀世界的要求,。

接下來,，我們會(huì)越來越頻繁地聽到一個(gè)新名詞——GAA(環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管)。

什么是 GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管?

1,、從 3D FinFET 到 GAA，5nm 之后就靠它了

作為取代 3D FinFET 晶體管的全新技術(shù),，其實(shí) GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管和 3D FinFET 有著千絲萬縷的聯(lián)系，因此我們需要從 3D FinFET 晶體管說起,。

在《臺(tái)積電 5 納米吊打英特爾 10 納米?別糾結(jié)了，這只是 “數(shù)字游戲”》一文中,，其實(shí)IT之家已經(jīng)為大家介紹過 3D FinFET 晶體管,，這里再簡單回顧一下,。

其實(shí)所謂晶體管,，用通俗易懂的話來講，就是用半導(dǎo)體材料制作的電流開關(guān)結(jié)構(gòu),。左邊一個(gè)源極(半導(dǎo)體),，右邊一個(gè)漏極(半導(dǎo)體),，中間加個(gè)柵極(金屬),，讓柵極來控制電流從源極到漏極的通斷。

在過去,，柵極和源極、漏極之間接觸的地方是一個(gè)平面,，形狀差不多是一個(gè)矩形，柵極正是依靠這個(gè)接觸面來對(duì)源極和漏極的電流進(jìn)行控制,。

可是,，晶體管越做越小,，這個(gè)接觸面的寬度(其實(shí)就是柵極的寬度)也越來越窄，當(dāng)窄到一定程度時(shí)(大概是 20nm 左右),，柵極對(duì)電流的控制力就會(huì)大幅減弱。

控制力減弱,，就會(huì)導(dǎo)致源極的電流穿透柵極，直接和漏極導(dǎo)通,，這種情況叫漏電。很顯然,，漏電不是個(gè)好事情,，它會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱量急劇上升,。

所以半導(dǎo)體工藝進(jìn)化之路在 20nm 左右曾一度面臨停滯，摩爾定律遭受威脅,。

怎么辦呢?其實(shí)只要柵極和源極、漏極之間的接觸面積足夠大,，就能控制住電流。這個(gè)接觸面的寬度不能增加,，那就只能增加長度了,。

1999 年華人教授胡正明帶領(lǐng)加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了 FinFET 晶體管技術(shù)和 UTB-SOI 技術(shù)，解決了上面說的問題,。

其中，F(xiàn)inFET 晶體管技術(shù)是我們聽過最多的,。它的解決思路就是改造晶體管的結(jié)構(gòu)，將源極和漏極做成像鰭片一樣直立的樣子,，然后讓柵極三面包圍住鰭片，就像下面這樣,。這樣,，等于是讓柵極的寬度不變,，通過巧妙地增加長度，來大大增加接觸面積,，從提升對(duì)電流的控制。

換句話說,，原來只有一個(gè)接觸面，現(xiàn)在有三個(gè)了,，哪怕柵極寬度在進(jìn)一步縮小,，也不怕,。

由于這種鰭片結(jié)構(gòu)是立體的形態(tài)，所以也叫做 3D FinFET,。

3D FinFET 技術(shù)的出現(xiàn)解決了晶體管工藝縮小引發(fā)的漏電的問題，讓半導(dǎo)體的制程可以進(jìn)一步推進(jìn),。

隨后，經(jīng)過十多年的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn),，英特爾在 2011 年首先推出了使用 22nm FinFET 工藝的第三代 Core 處理器，這標(biāo)志著摩爾定律的延續(xù)。

胡正明教授也被人們稱為 FinFET 教父,，以及 “拯救摩爾定律的男人”,。而 3D FinFET 技術(shù)也伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,，一路走到今天的 7nm,、5nm 時(shí)代,。

但是,，隨著芯片制程的進(jìn)一步微縮，到了 5nm 之后的 3nm、2nm 等等,，3D FinFET 也將迎來它的極限,，鰭片距離太近,、漏電重新出現(xiàn)，物理材料的極限都讓 3D FinFET 晶體管難以為繼,。

還有隨著工藝微縮，假如原來一個(gè) FinFET 晶體管上可以放三個(gè)鰭片,，現(xiàn)在只能放一個(gè),，所以就得把鰭片增高?？墒泅捚絹碓礁?，到一定高度后，很難在內(nèi)部應(yīng)力作用下保持直立,，F(xiàn)inFET 結(jié)構(gòu)就很難形成了,。

總之就是,，5nm 之后,，3D FinFET 也不能用了。這時(shí)候,，就輪到 GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管技術(shù)登場了,。

GAA 全稱 Gate-All-Around ,，是一種環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管,，也叫做 GAAFET。它的概念的提出也很早,，比利時(shí) IMEC Cor Claeys 博士及其研究團(tuán)隊(duì)于 1990 年發(fā)表文章中提出,。

其實(shí) GAAFET 相當(dāng)于 3D FinFET 的改良版,，這項(xiàng)技術(shù)下的晶體管結(jié)構(gòu)又變了,，柵極和漏極不再是鰭片的樣子,，而是變成了一根根 “小棍子”,，垂直穿過柵極，這樣,，柵極就能實(shí)現(xiàn)對(duì)源極、漏極的四面包裹,。

看起來,，好像原來源極漏極半導(dǎo)體是鰭片,，而現(xiàn)在柵極變成了鰭片,。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實(shí)現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方,。

不管怎么說，從三接觸面到四接觸面,，并且還被拆分成好幾個(gè)四接觸面,，顯然，這次柵極對(duì)電流的控制力又進(jìn)一步提高了,。此外,，GAA 的這種設(shè)計(jì)也可以解決原來鰭片間距縮小的問題，并且在很大程度上解決柵極間距縮小后帶來問題,，例如電容效應(yīng)等,。

總之，在 GAAFET 技術(shù)的巧妙幫助下,，半導(dǎo)體制程工藝的進(jìn)化之路還將進(jìn)一步往前走,，并將成為 5nm 之后大家經(jīng)常聽到的關(guān)鍵詞。

2、三星,、英特爾和臺(tái)積電，同樣的態(tài)度,，不同的進(jìn)展

GAAFET 技術(shù)如此重要,，顯然目前芯片代工的三巨頭英特爾,、三星和臺(tái)積電都在積極備戰(zhàn)，準(zhǔn)備在 5nm 之后的節(jié)點(diǎn)上大干一場,。

首先要說明的是,，前面我們講到源極到漏極的 “小棍子”，只是舉例,，實(shí)際上也可以是其他形狀，例如圓柱狀,、甚至是板狀的等等,。

就這一點(diǎn),，目前行業(yè)里分幾種方案：

納米線,，就是采用圓柱或者方形的截面;

板片狀,，顧名思義，就是源極漏極的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)成水平的板塊狀,，通常會(huì)堆疊多個(gè)穿透柵極;

六角形截面;

納米環(huán)技術(shù),，就是穿透柵極的半導(dǎo)體為環(huán)形截面。

在三巨頭中,，目前最積極高調(diào)的是三星，他們采用的是第二種方案,，也就是堆疊的板片狀方案,。目前三星也是三巨頭中唯一一家公布自己在 GAA 上詳細(xì)技術(shù)方案的企業(yè)。

三星還給自家 GAA 技術(shù)取了個(gè)獨(dú)特的名字：Multi-Bridge Channel,，簡稱 MBCFET,。

三星表示,，他們會(huì)在 3nm 這一節(jié)點(diǎn)上使用 MBCFET 技術(shù),。MBCFET 相比納米線技術(shù)擁有更大的柵極接觸面積,，從而在性能、功耗控制上會(huì)更加出色,。

就板片狀的技術(shù)方案來說,，三星透露其目前設(shè)計(jì)每個(gè)晶體管上堆疊 3 條板片,，板片厚度為 5nm，板片之間的距離為 10nm,，同時(shí)柵極長度為 12nm 等,。

在具體表現(xiàn)方面,，三星還稱第一代的 3nm MBCFET 相比 7nm FinFET 會(huì)有 35% 的性能提升,，功耗會(huì)降低 50%,，芯片面積則會(huì)縮減 45%,，電壓則可以下降到 0.7V,。

三星更是信心滿滿地表示，2020 年底,，他們的 MBCFET 就可以開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),，2021 年有望大規(guī)模量產(chǎn),，同時(shí) 2021 年他們還會(huì)推出第一代 MBCFET 的優(yōu)化版本,。

值得一提的是,，三星在 GAA 上也嘗試了其他技術(shù)方案,，不同方案在性能,、功率方面的表現(xiàn)也不同，未來可以根據(jù)芯片應(yīng)用場景的差異來匹配對(duì)應(yīng)的方案,。

相比三星的激進(jìn)，臺(tái)積電這邊就相對(duì)保守了,，目前他們已經(jīng)表示，3nm 節(jié)點(diǎn)上將會(huì)繼續(xù)打磨 FinFET 技術(shù),，而不是急于上馬 GAAFET。

主要原因是臺(tái)積電切入 GAA 技術(shù)的時(shí)間相對(duì)晚于三星,，同時(shí)也為產(chǎn)業(yè)鏈平穩(wěn)過渡考慮。至于什么時(shí)候會(huì)使用 GAA 技術(shù),，官方還沒有明確公布,。但根據(jù)外界的消息，臺(tái)積電會(huì)在 2nm 節(jié)點(diǎn)上采用 GAA 技術(shù),。

臺(tái)積電已表示,，2nm 研發(fā)生產(chǎn)將落腳新竹寶山，將規(guī)劃建設(shè) 4 個(gè)超大型晶圓廠,，投入 8000 名工程師,，目前已經(jīng)交付研發(fā)，根據(jù)規(guī)劃,，2nm 工藝預(yù)計(jì)會(huì)在 2023 年開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),，2024 年量產(chǎn)。

至于英特爾,，按照他們的進(jìn)度,，2021 年會(huì)推出 7nm 工藝,，采用的仍然是目前的 SuperFinFET，而到 2023 年,，他們會(huì)在 5nm 這個(gè)節(jié)點(diǎn)上放棄 FinFET 晶體管,，轉(zhuǎn)向 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。這個(gè)消息來自產(chǎn)業(yè)鏈,，并非英特爾官方公布,，但此前英特爾曾表示，將在 5nm 工藝重新奪回領(lǐng)導(dǎo)地位,，由此來看,，他們?cè)?2023 年的 5nm 節(jié)點(diǎn)上推出 GAA 工藝是大概率會(huì)發(fā)生的。

3,、半導(dǎo)體行業(yè)還沒有到極限

就像 FinFET 工藝拯救了芯片產(chǎn)業(yè),，在 5nm 之后的時(shí)代，GAAFET 也將成為帶領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵,。當(dāng)然,，在這背后，每前進(jìn)一步,，都是行業(yè)付出巨大努力的結(jié)果,。

就以 GAA 技術(shù)來說，三星透露其自家 3nm GAA 的研發(fā)成本比 5nm FinFET 更高,，有可能超過 5 億美元,，巨大的研發(fā)成本首先就是擺在行業(yè)面前的一道坎。

同時(shí) GAAFET 的工藝制造難度也是極高的,，具體的細(xì)節(jié)這里就不說了,，最難的地方自然是如何讓柵極環(huán)繞源極和漏極的納米線，這里面的工藝極其復(fù)雜,，也只有對(duì) FinFET 技術(shù)爐火純青的半導(dǎo)體巨頭才能應(yīng)對(duì)這樣的技術(shù)挑戰(zhàn),。

此外，和 GAA 技術(shù)配套的 EUV 極紫外光刻技術(shù)也需要進(jìn)一步成熟,，解決光刻功率不夠以及光子噪音等問題,。

但好消息時(shí)，因?yàn)?GAA 相當(dāng)于傳統(tǒng) FinFET 的 “改良版”,，因此生產(chǎn)制造的很多技術(shù)細(xì)節(jié)和步驟是可以共用的,，這意味著像三星、臺(tái)積電和英特爾這些對(duì) FinFET 技術(shù)非常熟悉的巨頭,，在 GAA 技術(shù)過渡時(shí)可能會(huì)比過去更加順暢,，產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間也可能會(huì)更短。

最后,，IT之家想說的是,，GAA 技術(shù)的推進(jìn),，的確在很大程度上推進(jìn)半導(dǎo)體工藝特別是先進(jìn)制程上的發(fā)展。但隨著制程技術(shù)越來越接近物理極限,，想要把芯片繼續(xù)做薄做小,，先進(jìn)制程也并不是唯一的道路，材料,、封裝等也都可以稱為突破的道路,。

胡正明教授曾經(jīng)說過：FinFE 證實(shí)了這個(gè)產(chǎn)業(yè)還有很多可以用我們的智慧來解決的問題，我還真是看不到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)的極限,。只要這個(gè)世界仍然對(duì)運(yùn)算有需求,，半導(dǎo)體行業(yè)的人們就會(huì)想出智慧的解決方案來拓寬行業(yè)的天花板，用技術(shù)讓這個(gè)世界更加美好,。