FinFET到GAAFET的突破性轉變

半導體技術(shù)資深專(zhuān)家 Ramalinga Reddy Kotapati 在最近的工作中探索了從 FinFET 到 Gate-All-Around (GAA) 架構的突破性轉變。本文深入探討了重塑先進(jìn)節點(diǎn)物理設計和實(shí)現的創(chuàng )新策略，為業(yè)內專(zhuān)業(yè)人士和研究人員提供了寶貴的見(jiàn)解。他的工作強調了在克服現代半導體縮放挑戰時(shí)對先進(jìn)方法的迫切需求。

半導體架構的演變

半導體行業(yè)從平面晶體管發(fā)展到 FinFET 等多柵極架構，標志著(zhù)技術(shù)的巨大飛躍。FinFET 器件提供卓越的靜電控制、減少泄漏和改善載流子傳輸，為先進(jìn)節點(diǎn)設計奠定了基礎。然而，隨著(zhù)微縮接近 5nm 以下節點(diǎn)，FinFET 的固有局限性（包括量子效應和驅動(dòng)電流降低）迫使人們采用更具可擴展性的解決方案：GAA 技術(shù)。

Gate-All-Around：革命性的飛躍

GAAFET 即環(huán)繞柵極場(chǎng)效應晶體管，其結構晶體管的本質(zhì)，就是把 FinFET 的 Fin 旋轉 90°，然后把多個(gè) Fin 橫向疊起來(lái)，這些 Fin 都穿過(guò) gate。隨著(zhù) GAAFET 晶體管的 gate（門(mén)）與 channel（溝道）的接觸面積變大，而且對于 FinFET 而言，Fin 的寬度是個(gè)定值；但對 GAAFET 而言，sheet（薄片）本身的寬度與有效溝道寬度是靈活可變的。更寬的 sheet 自然能夠達成更高的驅動(dòng)電流和性能，更窄的 sheet 則占用更小的面積自然可以提供比 FinFET 更好的靜電特性，滿(mǎn)足某些柵極寬度的需求。

在同等尺寸結構下，GAAFET 的溝道控制能力強化，尺寸進(jìn)一步微縮更有可能性，且新的結構所需的生產(chǎn)工藝應該與鰭式晶體管相似，可以繼續使用現有的設備以及技術(shù)成果；柵極與通道之前的接觸面積更大，新的結構帶來(lái)的寄生電容和電阻問(wèn)題應得到顯著(zhù)改善。

GAAFET 有兩種結構，一種是使用納米線(xiàn)（Nanowire）作為電子晶體管鰭片的常見(jiàn) GAAFET；另一種則是以納米片（Nanosheet）形式出現的較厚鰭片的多橋通道場(chǎng)效應管 MBCFET，這兩種方式都可以實(shí)現 3nm 工藝節點(diǎn)，只是取決于制造商具體的設計。從 GAAFET 到 MBCFET，可以視為從二維到三維的躍進(jìn)，能夠改進(jìn)電路控制，降低漏電率。

應對先進(jìn)節點(diǎn)的設計挑戰

隨著(zhù)半導體節點(diǎn)的縮小，設計復雜性呈指數級增長(cháng)，需要新的方法和工具。向 GAA 的過(guò)渡需要從頭開(kāi)始重新構想物理設計流程。增強型標準單元架構現在包含垂直集成，優(yōu)化了引腳可訪(fǎng)問(wèn)性、單元高度和軌道利用率。此外，布線(xiàn)策略必須平衡信號完整性、密度和性能，而極紫外 (EUV) 光刻的嚴格要求和新興的制造限制進(jìn)一步加劇了這一挑戰。

電力輸送網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )新

電力輸送是先進(jìn)半導體設計和制造工藝的基石。GAA 的集成推動(dòng)了電網(wǎng)優(yōu)化領(lǐng)域的前所未有的創(chuàng )新，確保在電流密度增加和金屬橫截面積減小的情況下仍能實(shí)現穩定高效的能源輸送。增強的分析技術(shù)（包括動(dòng)態(tài) IR 壓降模擬和電網(wǎng)建模）對于在日益復雜的設計和工作負載中保持電源完整性和穩定性至關(guān)重要。

利用先進(jìn)的 EDA 工具

電子設計自動(dòng)化 (EDA) 工具的興起徹底改變了整個(gè)行業(yè)的物理設計流程和方法。機器學(xué)習驅動(dòng)的布局和布線(xiàn)模型現在可以預測擁塞熱點(diǎn)并優(yōu)化單元布局，從而提高設計效率和運行時(shí)性能。多重模式感知工具可以精確管理制造復雜性，而先進(jìn)的寄生參數提取技術(shù)可以提高互連設計的準確性，即使在最復雜的架構中也能實(shí)現穩健的性能。

優(yōu)化功率、性能和面積

過(guò)渡到 GAA 節點(diǎn)為優(yōu)化半導體設計中的功率、性能和面積 (PPA) 帶來(lái)了新的機會(huì )。多電壓域和動(dòng)態(tài)功率門(mén)控等先進(jìn)的電源管理技術(shù)大大降低了功耗。改進(jìn)的互連設計和驅動(dòng)電流能力增強了性能擴展，而新穎的布局技術(shù)則最大限度地提高了面積效率，從而可以在更小的占用空間內實(shí)現更高的邏輯密度。

平衡創(chuàng )新與制造挑戰

雖然 GAA 在可擴展性方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，但它也帶來(lái)了制造成本、復雜性和工藝挑戰的增加。通過(guò)集成可制造性設計 (DFM) 工具和先進(jìn)的驗證方法，設計人員可以確保經(jīng)濟可行性和高產(chǎn)量生產(chǎn)周期。這些策略對于應對 3nm 以下節點(diǎn)技術(shù)的多方面挑戰和確保先進(jìn)半導體設計的未來(lái)至關(guān)重要。

隨著(zhù)半導體行業(yè)全面采用 GAA 技術(shù)，它為物理設計和制造實(shí)踐的空前創(chuàng )新鋪平了道路。Ramalinga Reddy Kotapati 的探索強調了成功所需的先進(jìn)方法和實(shí)際約束之間的關(guān)鍵平衡。他的工作強調了整體方法在推動(dòng)半導體技術(shù)發(fā)展和滿(mǎn)足未來(lái)進(jìn)步需求方面的重要性。