3D電晶體架構不斷翻新 製程微縮還能繼續走下去

作者: 黃繼寬
2023 年 10 月 27 日

由於製程微縮的技術難度越來越高,半導體業界在過去十年,已兩度大改電晶體的結構設計,以創造出更大的微縮空間。也由於電晶體的結構設計將對電路微縮的潛力產生決定性影響,到2030年代初期,我們或許還將再看到一次電晶體結構的大幅轉變。

imec半導體研究計畫資深副總裁Serge Biesemans指出,為同時達到縮小尺寸、減少功耗、增加性能的目標,半導體業界一直在發展3D化的電晶體。FinFET就是電晶體從2D轉向3D結構的第一個階段。但FinFET的閘極與通道接觸的面積有限,鰭的數量也會影響到電晶體尺寸,因此在3奈米之後,半導體製造業者都將轉向GAA(或稱Nanosheet)結構。

imec半導體研究計 畫資深副總裁Serge Biesemans表示,半導體業界仍在持續尋找可以繼續將電晶體微縮的方法

GAA的閘極貫穿整個通道,因此與通道的接觸面積更大,更能有效地控制通道開關,而且其閘極的大小非常靈活,如果要追求密度,閘極的尺寸可以視情況縮小。不過,GAA還是有其限制,以邏輯電路中的反閘(Invertor)為例,兩組水平配置的閘極間,最小間距約在30~40奈米,無法進一步縮小。而且,為了確保電晶體性能,閘極也不能過度微縮。

因此,半導體業界正在發展將閘極垂直堆疊的CFET電晶體結構,imec在這方面也有許多投入。將閘極垂直堆疊的好處很明顯,因為是垂直結構,所以閘極之間原本應該保留的水平間距,可以用來實現更寬的閘極,讓電晶體的效能更好。而且,也因為無須保留水平間距,元件尺寸能縮得更小。

目前CFET還處在研發階段,但一般預料,到2030年代初期,CFET製程就能進入量產。至於在CFET之後,半導體業界要如何繼續追求電路微縮呢?Biesemans透露,可能有兩種方法,一種是採用新的二維材料,另一個方法則是把電路直接做垂直堆疊。前一種方法需要材料科學上的突破,後一種思路則已經被運用在3DNAND Flash上,只是要把邏輯電路垂直堆疊起來,需要解決的問題會更複雜。

總而言之,雖然製程微縮是一條充滿挑戰的道路,但業界仍在持續尋找可以繼續走下去的方法。至少在未來十到廿年,電路還能做得更細小。

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