随着5G、人工智能、元宇宙等新兴科技产业快速崛起，发展低功耗、小尺寸、异质集成及超高运算速度的芯片架构技术，已成为全球半导体制造企业最重要的产业趋势与决胜关键。而跨过5纳米时代后，未来芯片制程又将迎来哪些白热化的竞争与发展趋势？
在芯片的先进制程竞赛上，自英特尔（INTEL）于2012年在22纳米芯片引入创新立体架构的“鳍式晶体管”（FinFET）之后，全球半导体企业都在此基础上进行研发。目前最先进的5纳米制程，即是采用FinFET架构来制作。该技术已由台积电（TSMC）拔得头筹，于2020年成功投入量产。
然而，当未来制程要再微缩至3纳米时，FinFET却会产生电流控制漏电的物理极限问题。事实上，三星（Samsung）已于近期赶在台积电之前，发布了最新一代采用环绕式闸极场效晶体管（Gate-All-Around FET；GAAFET）的全新架构3纳米制程。究竟在新一轮芯片制程的巅峰决战中，谁能最终胜出仍待观察。
由于GAAFET的芯片架构相比于FinFET，能以更小的体积实现更好的功耗表现，实际可缩减45%芯片面积、同时降低50%的能耗。台积电欲持续以FinFET与三星GAAFET在3纳米先进制程领域决战，2022年绝对是决定胜负至为关键的一年。
而对于众所瞩目的下时代2纳米制程，台积电也已公开表示也将采用GAAFET架构，并借由导入低维度高电子迁移率材料以及特殊绝缘层材料等，来强化其在先进制程的竞争优势。GAAFET架构俨然已成为下一时代延续莫尔定律（Moore’s Law）发展的最佳选项。
浅谈鳍式芯片架构原理与发展
随着摩尔定律（Moore’s Law）的发展，从微米（μm）技术节点演进至现今的5纳米技术节点（图一），以及预计将于2022年量产的3纳米技术节点 “1”，技术节点的数值愈小，晶体管密度愈高。
过去在平面晶体管（Planar FET）技术发展中，有两项重要的技术突破：一是90纳米技术节点开始量产的应变硅（strained Si），可提升硅信道的迁移率，增加电流；二是高介电系数／金属闸极（high-k／metal gate），介电层的k值愈大，氧化层电容（Cox）愈大，晶体管电流愈大，且可在相同的等效氧化层厚度（equivalent oxide thickness, EOT）下，以较大的物理厚度来降低漏电流。
图一、台积电的制程技术节点“1”。
随着传统的半导体尺寸微缩，晶体管的闸极长度（gate length）也逐渐减小。实际上，闸极长度和技术节点的数值是不相等的，且在22纳米技术节点以后，闸极长度会大于技术节点的数值（图二）。随着晶体管的尺寸越来越小，传统的微缩方式逐渐接近其物理极限，单纯依循摩尔定律的尺寸微缩，已无法提供如预期般性能的增长。自22纳米技术节点（Intel）及16纳米技术节点（台积电）开始，由胡正明院士团队提出的鳍式晶体管（FinFET）开始被业界所采用，三维晶体管也成为现今先进半导体的主流结构。
图二、约略估计晶体管技术节点（Technology Node）与闸极长度（Gate Length）。
※此图标著作权为国立台湾大学电子工程学研究所刘致为教授研究团队所有，未经允许不得随意引用、转载、改编或截录。
晶体管由传统的平面式（图三a）走向三维的立体结构（图三b），因为三面的闸极结构（Tri-Gate）
与鱼鳍十分相似，所以称为鳍式晶体管。鳍式晶体管具有比平面晶体管更大的等效宽度（effective width），可提高组件之电流密度，且其三维之结构可增加信道控制能力，抑制短信道效应（short channel effect）。
三维的鳍式晶体管结构可降低次临界摆幅（subthreshold swing, SS）与工作电压，减少晶体管损耗功率（图三c）。鳍式晶体管已从16纳米、10纳米、7纳米、5纳米、3纳米共发展了五代技术节点，为目前的主流组件结构。
图三、（a）平面晶体管示意图（b）鳍式晶体管示意图（c）电流-电压关系图。 “2”
鳍式3纳米台积电今年量产，未来将采用闸极环绕式架构
台积电于2019年国际电子组件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）宣布于5纳米技术节点量产拥有高迁移率信道（high mobility channel）之鳍式晶体管 “3”。使用高迁移率信道，犹如驾驶跑车，速度更快，使晶体管的性能更佳。图四 “4” 为台积电于2021年国际固态电路研讨会（International Solid-State Circuits Conference, ISSCC）中所展示的高迁移率信道鳍式晶体管，由图中可看出高迁移率信道与底部的硅材料具有明显的对比，且皆有清楚的哑铃状结构（dumbbell）。
台积电预计于2022下半年开始量产3纳米技术节点的全时代制程晶体管，与5纳米技术节点相比，3纳米技术节点的逻辑密度将增加约70%，在相同功耗下速度提升10-15%，或者在相同速度下功耗降低25-30% “1”。
图四、台积电5纳米技术节点的高迁移率信道鳍式晶体管 “4”。 ©IEEE
为了进一步增加信道的控制能力与维持短信道效应的抑制，必须改变晶体管之架构。三星、台积电、Intel已宣布在3纳米技术节点（Samsung）和2纳米技术节点（TSMC、Intel 20A）将采用闸极环绕式（Gate-All-Around, GAA）的纳米片（nanosheet）结构。
闸极环绕式晶体管架构原理
闸极环绕式晶体管具有比鳍式晶体管更好的闸极控制能力，在先进技术节点将取代鳍式晶体管结构，晶体管密度也将持续提升。使用GAA晶体管结构，犹如使用强力水龙头，滴水不漏，使晶体管有效降低漏电流，更加节能省电。
为了增加晶体管的驱动电流，采用信道堆栈（channel stacking）的方法，在垂直方向增加信道数目，犹如构建双层高架桥，在相同占地面积下，可负载更多车流量，使晶体管拥有更高电流并增加晶体管密度，有效提升组件性能。图五 “5” 为垂直堆栈纳米片（stacked nanosheets）的结构，可视作将FinFET旋转90度并进行垂直堆栈，形成四面环绕式的闸极结构。
有别于FinFET的信道宽度（DFin）是由微影制程（Lithography）所限制，stacked nanosheets的信道厚度（DNS）可借由磊晶（epitaxy）来决定，因此可精准控制厚度。除此之外，stacked nanosheets可往垂直方向增加信道层数，在相同的占地面积（footprint）下具有更大的等效宽度（effective width, Weff），提供更大的电流以提升晶体管性能。
磊晶（epitaxy）技术除了可精准决定stacked nanosheets的信道厚度外，也可以控制信道与信道之间的距离（suspension thickness, Tsus），不会像FinFET增加占地面积，且可以通过降低Tsus的方式来减少组件的寄生电容（parasitic capacitance）。
图五、鳍式晶体管（FinFET）与垂直堆栈纳米片（Stacked nanosheets）之比较 “5”。 ©IEEE
三星率先在2018 IEDM国际会议上宣布以Multi-Bridge-Channel FET（MBCFET）之GAA晶体管作为3纳米技术节点之晶体管结构（图六a,b）“6”，其中提到MBCFET采用90%的FinFET制程，与现今业界之FinFET制程具有良好的兼容性。
MBCFET顾名思义，结构与多层桥梁相似，实际上和前述的stacked nanosheets是相同的结构。与FinFET相比，MBCFET具有更好的闸极控制，在相同的面积下，也有更大的等效宽度以提供更大的驱动电流，并可依照不同的应用来调整信道宽度，提高电路设计之弹性。
另一方面，IBM的2纳米技术节点提出三层垂直堆栈的stacked nanosheets（图六c）“5”，其信道宽度为40纳米、信道高度为5纳米、闸极长度为12纳米，并采用底部介电层绝缘（bottom dielectric isolation, BDI），能有效减少漏电流，降低芯片功耗。与7纳米制程技术相比，预计提升45%的性能或降低75%的能耗 “7”。
图六、(a, b)三星3纳米技术节点之MBCFET “6” ©IEEE (c)IBM 2纳米技术节点之三层垂直堆栈信道晶体管“5”。 ©IEEE
高层数信道堆栈的GAA晶体管将成未来主流结构
台积电在2021 ISSCC国际会议上展示三层垂直堆栈的stacked nanosheets作为2纳米技术节点之晶体管结构（图七a），可提供更佳的性能及更低的次临界摆幅 “4”。Intel则宣布2024年将以RibbonFET（垂直堆栈四层的nanoribbons，也与stacked nanosheets结构相似）作为20A技术节点之结构（图七b）“8”，并将于2025年以优化的RibbonFET作为18A技术节点之结构。
由业界趋势可见，高层数信道堆栈的GAA晶体管为未来晶体管之主流结构。在2020年超大型集成电路技术研讨会（Symposium on VLSI Technology, VLSI）中，法国半导体研究机构CEA-Leti发布了七层的Si GAA nanosheets晶体管（图八）“9”。
图七、（a）台积电2纳米技术节点之三层垂直堆栈信道晶体管 “4” ©IEEE（b）Intel 20A技术节点之四层垂直堆栈信道晶体管（RibbonFET）“8”。
图八、法国半导体研究机构CEA-Leti发布之七层垂直堆栈硅信道晶体管“9”。 ©IEEE
由硅到锗硅等晶体管信道材料发展
目前已发布的GAA晶体管，信道材料大部分以硅（Si）为主，为了增加电路的运行速度，必须提升晶体管的驱动电流（垂直堆栈信道电流的总和），除了往垂直方向增加信道数目外，采用高载子迁移率（mobility）的材料作为晶体管信道可进一步提高晶体管的驱动电流，例如锗（Ge）、锗硅（GeSi）、锗锡（GeSn）等新四族材料，具有优于硅的电子及电洞迁移率，并且与现今业界的硅半导体制程技术有良好的兼容性。
台湾大学电子工程学研究所刘致为教授研究团队，于2021 VLSI国际会议上发布了八层锗硅N型GAA晶体管（8 stacked Ge0.75Si0.25nanosheets）（图九左）“10”，拥有极高的信道均匀性。为进一步提高组件的驱动电流，将锗硅信道的锗浓度提升至95%，以提高信道之电子迁移率，并成功展示了世界首颗高性能七层锗硅N型GAA晶体管（7 stacked Ge0.95Si0.05nanowires）（图九右）“10”，此研究成果也获国际顶尖期刊Nature Electronics报道于Research Highlight “11”。
由此可见，高层数堆栈之高迁移率信道GAA晶体管为未来半导体技术节点的一大趋势。其中磊晶（epitaxy）与蚀刻（etching）为高层数堆栈信道GAA晶体管最重要的两大制程技术，借由两者的互相优化才能成功制备高性能晶体管。目前台大是业界以外，唯一能研发多层堆栈信道GAA晶体管的大学，也成为学界与业界接轨的重要桥梁。
图九、本研究团队发布之（左）八层GeSi nanosheets “10”（右）七层GeSi nanowires “10”。 ©IEEE
P型晶体管方面，因为压缩应变的锗锡（GeSn）材料拥有比纯锗和硅更高的电洞迁移率，可增加组件之驱动电流，成为信道材料的潜力之一。然而因锗锡材料之能隙较小，组件具有较大之截止状态漏电流（IOFF）以及较小之开关电流比（ION/IOFF），将造成组件功率耗损过大。此问题可借由降低信道厚度来改善，随着信道厚度变薄，受量子局限效应（quantum confinement effect）影响使ION/IOFF随之上升，因闸极控制能力增强使次临界摆幅（SS）下降。
然而当信道厚度小于5nm时因表面粗糙散射（surface roughness scattering）的影响，导致载子迁移率降低，故需搭配高堆栈、高载子迁移率之锗锡信道，维持组件之驱动电流。因此研究团队在2021 IEDM国际会议上发布七层与八层堆栈锗锡极薄信道P型晶体管（7 stacked and 8 stacked Ge0.9Sn0.1ultrathin bodies）（图十） “12”，以锗锡材料作为高迁移率信道（high mobility channel），优化磊晶（epitaxy）与高蚀刻选择比等向性干蚀刻（highly selective isotropic dry etching, HiSIDE）制程，制备出厚度为3纳米之极薄信道，有效降低组件之漏电流，且ION/IOFF为锗/锗锡三维晶体管之世界记录，此篇论文也获得2021 IEDM最佳学生论文奖（Best Student Paper Award）。
图十、本研究团队发布之（左）七层与（右）八层锗锡极薄信道“12”。 ©IEEE
台积电、三星及英特尔下一步决战GAAFET
综上所述，高层数（highly stacked）、高迁移率（high mobility），以及极薄信道（ultrathin bodies）之GAA晶体管将能使半导体芯片性能更高、更省电，进而使先进半导体科技不断进步，为人类带来更好的生活。
目前台大刘致为教授及其研究团队是台湾业界之外，唯一能研发出多层信道堆栈之GAA晶体管的顶尖研究团队，并同时与专精检测设备与技术的闳康科技进行产学合作，由闳康科技协助其以聚焦离子束显微镜（FIB）、穿透式电子显微镜（TEM）、电子能量损失能谱（EELS）等进行GAAFET先进制程研究上所需之完整分析服务。
接下来，先进制程架构将从FinFET转换GAAFET，台积电、三星及英特尔在未来5纳米以下的GAAFET技术发展上势必也将展开一场白热化的竞赛。然而，值得注意的是，欲在未来半导体霸权时代取得技术领先地位，除了芯片制造技术上须掌握优势外，系统封装集成技术也是半导体产业重要的发展方向。台湾产官学界都应尽早掌握此契机、协助进行完整策略布局。
而在GAAFET时代之后，是否会有更为创新、可延续莫尔定律发展的新型晶体管结构出现？就让我们拭目以待。
参考资料：“1” TSMC “Online” https://www.tsmc.com/chinese/dedicatedFoundry/technology/logic
“2” M. Bohr and K. Mistry, “Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology,” “Online” https://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-Details_Presentation.pdf
“3” G. Yeap et al., “5nm CMOS Production Technology Platform featuring full-fledged EUV, and High Mobility Channel FinFETs with densest 0.021μm2 SRAM cells for Mobile SoC and High Performance Computing Applications,”IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 879-882, 2019.
“4” Mark Liu, “Unleashing the Future of Innovation,”2021 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Plenary Session 1.1, 2021.
“5” N. Loubet, “Enablement of Next Generation High Performance Nanosheet Transistors,”IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Short Course 1, 2020.
“6” G. Bae et al., “3nm GAA Technology featuring Multi-Bridge-Channel FET for Low Power and High Perform ance Applications,”IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 656-659, 2018.
“7” “IBM Unveils World’s First 2 Nanometer Chip Technology, Opening a New Frontier for Semiconductors” “Online” https://newsroom.ibm.com/2021-05-06-IBM-Unveils-Worlds-First-2-Nanometer-Chip-Technology,-Opening-a-New-Frontier-for-Semiconductors
“8” “Intel Accelerated” “Online” https://download.intel.com/newsroom/2021/client-computing/Intel-Accelerated-2021-presentation.pdf
“9” S. Barraud et al., “7-Levels-Stacked Nanosheet GAA Transistors for High Performance Computing,”IEEE Symposia on VLSI Technology and Circuits (VLSI), TC1.2, 2020.
“10” Y.-C. Liu et al., “First Highly Stacked Ge0.95Si0.05 nGAAFETs with Record ION = 110μA (4100μA/μm) at VOV=VDS=0.5V and High Gm,max = 340μS (13000μS/μm) at VDS=0.5V by Wet Etching,”IEEE Symposia on VLSI Technology and Circuits (VLSI), T15-2, 2021.
“11” S. Thomas, “Germanium nanowire transistors stack up,”Nature Electronics, Vol. 4, July 2021, 452.“12” C.-E. Tsai et al., “Highly Stacked 8 Ge0.9Sn0.1 Nanosheet pFETs with Ultrathin Bodies (~3nm) and Thick Bodies (~30nm) Featuring the Respective Record ION/IOFF of 1.4×107 and Record ION of 92μA at VOV=VDS= -0.5V by CVD Epitaxy and Dry Etching,”IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 569-572, 2021.
（首图来源：Shutterstock，图片来源：闳康科技）