下一代晶體管技術(shù)何去何從

莫大(博客,微博)康編譯

大量的金錢和精力都花在探索FinFET工藝，它會(huì)持續(xù)多久和為什么要替代他們？

在近期內(nèi)，從先進(jìn)的芯片工藝路線圖中看已經(jīng)相當(dāng)清楚。芯片會(huì)基于今天的FinFET工藝技術(shù)或者另一種FD SOI工藝的平面技術(shù)，有望可縮小到10nm節(jié)點(diǎn)。但是到7nm及以下時(shí)，目前的CMOS工藝路線圖已經(jīng)不十分清晰。

半導(dǎo)體業(yè)已經(jīng)探索了一些下一代晶體管技術(shù)的候選者。例如在7nm時(shí)，采用高遷移率的FinFET，及用III-V族元素作溝道材料來提高電荷的遷移率。然后，到5nm時(shí)，可能會(huì)有兩種技術(shù)，其中一種是環(huán)柵FET，和另一種是隧道FET（TFET），它們在比較中有微弱的優(yōu)勢。原因都是因?yàn)樽罱KCMOS器件的靜電問題，一種是在溝道的四周圍繞著柵極的結(jié)構(gòu)。相比之下，TFETs是依賴陡峭的亞閾值斜率晶體管來降低功耗。

這場競賽還遠(yuǎn)未結(jié)束。顯然在芯片制造商之間可能已經(jīng)達(dá)成以下共識：下一代器件的結(jié)構(gòu)選擇，包括III-V族的FinFET；環(huán)柵的FinFET；量子阱；硅納米線；SOI FinFET和TFET等。

未來仍有很長的路要走。除此之外，還有另一條路可能采用一種垂直的芯片架構(gòu)，如2.5D/3D堆疊芯片以及單片3DIC。

總之，英特爾，臺積電和一些其他公司，它們均認(rèn)為環(huán)柵技術(shù)可能會(huì)略占上風(fēng)。Intel的Mayberry說，英特爾也正在研究它，這可能是能被每個(gè)人都能接受的工藝路線圖。

芯片制造商可能需要開發(fā)一種以上的架構(gòu)類型，因?yàn)闆]有一種單一的技術(shù)可為未來的應(yīng)用是個(gè)理想的選擇。Intel公司副總裁，元件技術(shù)和制造部主任Michael Mayberry說。這不可能是一個(gè)單一的答案，有許多不同的答案，將針對不同的細(xì)分市場?！?br>
英特爾同樣也對TFET技術(shù)表示出濃厚的興趣，盡管其他人有不同的意見。最終的贏家和輸家將取決于成本，可制造性和功能性。Mayberry說，例如，最為看好的是晶體管的柵極四周被碳納米線包圍起來，但是我們不知道怎樣去實(shí)現(xiàn)它。所以這可能不是一個(gè)最佳的選擇方案，它必須要能進(jìn)行量產(chǎn)。

另一個(gè)問題是產(chǎn)業(yè)能否保持仍是每兩年的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的節(jié)奏。隨著越來越多的經(jīng)濟(jì)因素開始發(fā)揮作用，相信未來半導(dǎo)體業(yè)移動(dòng)到下一代工藝節(jié)點(diǎn)的時(shí)間會(huì)減緩，甚至可能會(huì)不按70%的比例縮小，而延伸下一代的工藝節(jié)點(diǎn)。

延伸FinFET工藝

在2014年英特爾預(yù)計(jì)將推出基于14nm工藝的第二代FinFET技術(shù)。同樣在今年，格羅方德，臺積電和三星也分別有計(jì)劃推出他們的14nm級的第一代FinFET技術(shù)。

intel公司也正分別開發(fā)10nm的FinFET技術(shù)，然而現(xiàn)在的問題是產(chǎn)業(yè)如何延伸FinFET工藝？對于FinFET技術(shù)，IMEC的工藝技術(shù)高級副總裁，An Steegen說，在10nm到7nm節(jié)點(diǎn)時(shí)柵極已經(jīng)喪失溝道的控制能力。Steegen說，理想的方案是我們可以把一個(gè)單一的FinFET最大限度地降到寬度為5nm和柵極長度為10nm。

所以到7nm時(shí)，業(yè)界必須考慮一種新的技術(shù)選擇。根據(jù)不同產(chǎn)品的路線圖及行業(yè)高管的見解，主要方法是采用高遷移率或者III-V族的FinFET結(jié)構(gòu)。應(yīng)用材料公司蝕刻技術(shù)部的副總裁Bradley Howard說，從目前的態(tài)勢，在7nm節(jié)點(diǎn)時(shí)III-V族溝道材料可能會(huì)插入。

在今天的硅基的FinFET結(jié)構(gòu)中在7nm時(shí)電子遷移率會(huì)退化。由于鍺（Ge）和III-V元素材料具有較高的電子傳輸能力，允許更快的開關(guān)速度。據(jù)專家說，第一個(gè)III-V族的FinFET結(jié)構(gòu)可能由在pFET中的Ge組成。然后，下一代的III-V族的FinFET可能由鍺構(gòu)成pFET或者銦鎵砷化物（InGaAs）組成NFET。

高遷移率的FinFET也面臨一些挑戰(zhàn)，包括需要具有集成不同的材料和結(jié)構(gòu)的能力。為了幫助解決部分問題，行業(yè)正在開發(fā)一種硅鰭的替換工藝。這取決于你的目標(biāo)，但是III-V族的FinFET將最有可能用來替代鰭的技術(shù)，Howard說?；旧希阕龅氖翘娲?。你要把硅鰭的周圍用氧化物包圍起來。這樣基本上是把硅空出來用III-V族元素來替代。