關(guān)于FinFET技術(shù)中的電路設(shè)計(jì)的分析和介紹

所有大型晶圓代工廠都已宣布FinFET技術(shù)為其最先進(jìn)的工藝。Intel在22 nm節(jié)點(diǎn)上采用該晶體管1，TSMC在其16 nm工藝上使用2，而Samsung和GlobalFoundries則將其用于14 nm工藝中3。與所有新工藝一樣，對(duì)于IC設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)最重要的問題是“這對(duì)我意味著什么？”新的,更小的工藝意味著設(shè)計(jì)人員將可獲益于更低的功耗、更高的面積利用率以及源自半導(dǎo)體縮放的其他傳統(tǒng)的改善。但除了這些優(yōu)勢(shì)外，還存在著一定的學(xué)習(xí)成本，以了解新的設(shè)計(jì)規(guī)則、參數(shù)差異，以及必須實(shí)施才能在新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的新方法或改進(jìn)的方法。目前為止，收益總能證明成本的價(jià)值所在。對(duì)FinFET來(lái)說(shuō)也是這樣嗎？

與其他所有新技術(shù)一樣，F(xiàn)inFET工藝包含一種與學(xué)習(xí)如何使用其進(jìn)行設(shè)計(jì)相關(guān)的成本。由于FinFETs是一種完全不同的晶體管，問題變成，這種改變是漸進(jìn)的（典型學(xué)習(xí)成本）還是革命性的（顯著學(xué)習(xí)成本）。答案取決于你的觀點(diǎn)…

漸進(jìn)

首先要記住的是，對(duì)于大多數(shù)晶圓代工廠來(lái)說(shuō)，16nm和14 nm的后道工序(BEOL)結(jié)構(gòu)與20 nm節(jié)點(diǎn)的一樣。20 nm采用了雙重曝光(DP)4，對(duì)設(shè)計(jì)和制造界產(chǎn)生了極大影響。DP推動(dòng)了設(shè)計(jì)流程的變化，是EDA工具在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、寄生參數(shù)提取和分析方面變化的催化劑。

幸運(yùn)的是，DP的挑戰(zhàn)就發(fā)生在最近。三重曝光或多重曝光業(yè)已到來(lái)，但并非用于現(xiàn)有的FinFET工藝。由于BEOL與20 nm相同，設(shè)計(jì)人員最需學(xué)習(xí)并了解前道工序 (FEOL)幾何形狀的變化。圖1是具有單“鰭片”的FinFET器件圖示，當(dāng)然大部分FinFET器件都有多鰭片。

圖1：?jiǎn)巍蚌捚盕inFET。

（信息來(lái)源：GLOBALFOUNDRIES）

第一次看到這些器件時(shí)，大部分設(shè)計(jì)人員會(huì)問以下問題：

1.如何設(shè)計(jì)？

2.一個(gè)器件應(yīng)包含多少鰭片？

3.鰭片尺寸/間距應(yīng)該是多少？

4.如何獲取所需信息來(lái)了解幾何形狀與電氣性能的折衷方案？

這些都是棘手的問題！通常，設(shè)計(jì)人員，尤其是數(shù)字設(shè)計(jì)人員，在權(quán)衡晶體管結(jié)構(gòu)和電氣性能時(shí)將寬度、長(zhǎng)度和面積作為參數(shù)進(jìn)行考量。FinFET設(shè)計(jì)的性質(zhì)可能極大地改變這一切。幸運(yùn)的是，大多數(shù)晶圓代工廠已考慮到這一點(diǎn)，并為FinFET工藝開發(fā)了一種與20nm及以上工藝相同的設(shè)計(jì)方法。

沒錯(cuò)，對(duì)于這第一代FinFET，設(shè)計(jì)人員沒有設(shè)計(jì)/開發(fā)鰭片（除非是SRAM設(shè)計(jì)人員）。如同之前的節(jié)點(diǎn)，IC設(shè)計(jì)人員將會(huì)通過(guò)定義器件的寬度、長(zhǎng)度和面積來(lái)設(shè)計(jì)晶體管。設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、提取和分析工具將根據(jù)晶圓代工廠的規(guī)范將版圖分解為鰭片，然后執(zhí)行必要的分析來(lái)進(jìn)行物理驗(yàn)證、參數(shù)和寄生計(jì)算，甚至是執(zhí)行幾何形狀填充和電路仿真。

通過(guò)這些EDA創(chuàng)新，如果你是即將采用FinFET工藝的數(shù)字設(shè)計(jì)人員且最近的節(jié)點(diǎn)是20nm，那么FinFETs只不過(guò)是一種漸進(jìn)的變化。BEOL沒有新的內(nèi)容，物理設(shè)計(jì)在很大程度上仍舊保持不變，而EDA工具負(fù)責(zé)執(zhí)行必要的分析。

革命性

圖2更加真實(shí)地描述出了FinFET，用弧形代替了之前示例中的方框和平面。大部分設(shè)計(jì)人員都同意，預(yù)測(cè)這種結(jié)構(gòu)的電氣性能需要重大創(chuàng)新。器件及其互連周圍的電場(chǎng)比他們?cè)趥鹘y(tǒng)MOSFET中遇到的要復(fù)雜得多。另外，F(xiàn)inFET器件的驅(qū)動(dòng)能力比同樣尺寸的MOSFET更強(qiáng)，這意味著設(shè)計(jì)人員在預(yù)測(cè)電氣行為方面將需要更高的精確度。為滿足這些要求，就需要新的技術(shù)來(lái)進(jìn)行器件和其互連的建模。

圖2：弧形結(jié)構(gòu)的FinFET圖示（TEM圖片來(lái)源：ChipWorks；仿真來(lái)源：Gold StandardSimulations Ltd.）

另外，從模擬或IP設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，上述設(shè)計(jì)方法（鰭片由晶圓代工廠實(shí)施）并非首選模型。這些設(shè)計(jì)人員希望能獲得更大的自由度，以減少滲漏、匹配驅(qū)動(dòng)能力、提高頻率響應(yīng)以及推動(dòng)電氣和幾何限制，而這些都是固定鰭片無(wú)法做到的。根據(jù)其性質(zhì)，這種設(shè)計(jì)是定制的，而無(wú)法控制鰭片數(shù)量或大小對(duì)于其中很多設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是非常別扭。

對(duì)于從28nm或以上工藝跳到FinFET工藝的定制、模擬或IP設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)是革命性的，但不一定是字面上的“全新改良”。雖然有工具創(chuàng)新來(lái)緩和這種過(guò)渡，進(jìn)行這種設(shè)計(jì)的方法與其習(xí)慣的設(shè)計(jì)手法相比可能更顯嚴(yán)格。采用傳統(tǒng)MOSFET工藝，這些設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)定制化的晶體管包括定制其尺寸和方向。對(duì)于FinFET，設(shè)計(jì)人員將通過(guò)更少的變量來(lái)達(dá)成所需的電氣響應(yīng)。有人懷疑是否可以通過(guò)FinFET 工藝來(lái)完成先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)，而關(guān)于此問題，已經(jīng)有很多人討論過(guò)了。答案是肯定的，但需要對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重大改變，且可能需要更多的實(shí)驗(yàn)。