集成電路上晶體管結(jié)構(gòu)的那些事兒

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這一期，我們聊一聊集成電路上晶體管結(jié)構(gòu)的那些事兒。

在解釋集成電路上晶體管的工作原理之前，我們得先來聊聊最常用的硅（和它元素家族）的特點(diǎn)。

硅原子作為一個(gè)大哥，最外層圍繞著四個(gè)電子。硅原子排列成晶體時(shí)，最外層電子正好兩兩組隊(duì)，形成穩(wěn)定的八電子結(jié)構(gòu)，也就是很難游離成為自由電子。缺少了自由電子，純硅在室溫下的導(dǎo)電率就很低，基本就是個(gè)絕緣體。

眾所周知，集成電路用的硅是半導(dǎo)體，可是純硅都絕緣了還怎么玩？我們可以在純凈的硅晶體中強(qiáng)行加入比硅活躍的其他原子小弟來增加自由電子，讓不純的硅可以一點(diǎn)點(diǎn)導(dǎo)電但又不怎么導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體。強(qiáng)行加入較活躍原子的過程叫做摻雜，目的就是大幅度提升硅的導(dǎo)電率。摻入容易游離出自由電子的原子，就是N型半導(dǎo)體。摻入電子不容易游離的原子，可以理解為游離出來的自由電荷是缺少電子的空洞正電荷，稱為空穴，這種就是P型半導(dǎo)體。

當(dāng)我們把這兩種性質(zhì)相反的半導(dǎo)體連在一起時(shí)，就形成了一個(gè)PN結(jié)。為什么談到PN結(jié)呢？因?yàn)镻N結(jié)在集成電路中無處不在。不施加外部電壓時(shí)，PN結(jié)無法導(dǎo)電。如果在N這一側(cè)加入巨量的自由電子，讓自由電子的濃度高過P型的空穴，這樣P型就臨時(shí)變成了N型，也就能導(dǎo)電了。反向操作的話，只要電壓不足夠高，PN結(jié)沒怎么變化，始終不導(dǎo)電，這樣還能當(dāng)作電壓保護(hù)使用。結(jié)構(gòu)簡單的單向?qū)щ娖骷?a target="_blank">二極管就是利用這個(gè)原理。

把兩種性質(zhì)的半導(dǎo)體做成兩個(gè)PN結(jié)的三明治結(jié)構(gòu)，這就是1946年的諾貝爾物理學(xué)獲獎內(nèi)容，雙極晶體管（簡稱BJT）。它工作的原理比二極管稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但依然是通過控制三明治每部分的電壓讓整個(gè)三明治完全導(dǎo)通。BJT導(dǎo)通時(shí)電阻比較小，電流比較大。所以在講究省電的數(shù)字集成電路里面，更多使用的是另一種以PN結(jié)為基礎(chǔ)的晶體管：金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管，簡稱MOSFET。

MOSFET的工作原理看起來也是通過控制不同區(qū)域的電壓讓晶體管導(dǎo)通，可是本質(zhì)上和BTJ有極大的差異。

首先，PN結(jié)在MOSFET里的作用不是用來控制導(dǎo)電，相反是讓電流無法通過，只讓電流在指定區(qū)域里經(jīng)過?？刂齐娏鹘?jīng)過的指定區(qū)域就比較特別了，是一個(gè)與電流通過方向垂直的金屬層/絕緣層/半導(dǎo)體的三明治結(jié)構(gòu)（MOS結(jié)構(gòu)）。例如對一個(gè)P型半導(dǎo)體，在金屬層上接正電壓，就會通過絕緣層形成一個(gè)垂直方向的電場。在電場作用下，正電荷被推遠(yuǎn)，負(fù)電荷也就是電子被拉向半導(dǎo)體和絕緣層的接觸面上。當(dāng)電壓足夠高，電場足夠強(qiáng)時(shí)，P型半導(dǎo)體和絕緣層的接觸面上就不再是P型了，而出現(xiàn)了非常非常非常薄的N型半導(dǎo)體層，電子就可以在其中移動了。

這層受MOS結(jié)構(gòu)控制出現(xiàn)的反類型半導(dǎo)體的電荷通道channel就叫做溝道。金屬層就是控制溝道的柵極gate（G極）。我們在半導(dǎo)體制造工藝上常說的xx納米工藝，本意就是指G極的長度，也可以簡單理解為溝道的長度。

在溝道的兩端接上和移動電荷同型的半導(dǎo)體，再在它們上加上一個(gè)和溝道水平的電場，這些游離電荷（載流子）就能從一端出發(fā)到達(dá)另一端了。出發(fā)端是電荷（載流子）的源頭，叫做源極source（S極）。到達(dá)端接收到漏過溝道的電荷，叫做漏極drain（D極）。）就能從一端出發(fā)到達(dá)另一端了。出發(fā)端是電荷（載流子）的源頭，叫做源極source（S極）。到達(dá)端接收到漏過溝道的電荷，叫做漏極drain（D極）。（載流子）就能從一端出發(fā)到達(dá)另一端了。出發(fā)端是電荷（載流子）的源頭，叫做源極source（S極）。到達(dá)端接收到漏過溝道的電荷，叫做漏極drain（D極）。

在MOS結(jié)構(gòu)中，水平方向的電場決定有沒有電流可以流通，而垂直方向的電場控制電流能不能通過。這就是MOS結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，所以它叫做MOSFET。當(dāng)一個(gè)MOSFET關(guān)斷時(shí)，幾乎沒有電流通過。而導(dǎo)通時(shí)，電流也僅僅在溝道里流通。所以MOSFET的工作電流相對小，換句話說，有著省電的天然優(yōu)勢。

在芯片制造上，MOSFET還有另一個(gè)巨大優(yōu)勢。一個(gè)完整的CMOS里，一個(gè)N型和一個(gè)P型MOSFET同步制造一體成型。它們的G極和D極各自連接在一起。當(dāng)G極上給邏輯狀態(tài)1的時(shí)候，D極就能出現(xiàn)狀態(tài)0的響應(yīng)。一個(gè)二進(jìn)制邏輯上的反向器就這么簡單而有極其緊湊地做出來了。這個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu)就是經(jīng)典的CMOS。

憑借省電和制造上的兩大優(yōu)勢，MOSFET自然而然就成了集成電路中的絕對主力老大哥了。

FinFET橫空出世

隨著芯片制程越來越小，傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的MOSFET已經(jīng)難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。因?yàn)榫w管尺寸不斷縮小，S與D間的溝道就不斷變短。當(dāng)溝道短到一定程度時(shí)，即便沒有施加電壓，S和D也會因?yàn)閭髡f中的量子效應(yīng)變得微弱導(dǎo)電，直接來說就是隨時(shí)隨地都在“漏電”。這就是半導(dǎo)體器件物理中說的“短溝道效應(yīng)”。

為了極大程度上抵消掉短溝道效應(yīng)，華裔科學(xué)家胡正明教授于1999年發(fā)明的3D鰭式場效應(yīng)晶體管的新型MOSFET構(gòu)造，簡稱FinFET。而FinFET也成為了半導(dǎo)體工業(yè)中延續(xù)摩爾定律的革命性技術(shù)。

在FinFET的構(gòu)造中，首先是溝道的水平寬度大幅縮減，然后增加其高度，呈現(xiàn)出類似魚鰭的形狀，這也正是FinFET名字的由來。一句話解釋：FinFET把平面MOSFET的溝道立了起來。因此柵極被設(shè)計(jì)成了叉狀3D架構(gòu)緊緊包裹住“魚鰭”狀的溝道。如此一來，F(xiàn)inFET的柵極就可以在傳統(tǒng)的上方以及垂直的兩側(cè)共同控制溝道的導(dǎo)通與關(guān)斷。這樣不僅能夠改善電路控制和減少漏電流來抵消掉短溝道效應(yīng)，同時(shí)還能讓晶體管整體結(jié)構(gòu)中的長度得以大幅縮減，從而進(jìn)一步幫助縮小芯片單位面積。

原理聽起來很簡單是不是，但如何在硅片上制造這些“魚鰭”卻相當(dāng)困難。單個(gè)“魚鰭”的尺寸是最小柵長的0.67倍。舉個(gè)具體的例子：對于22nm的工藝，單個(gè)“魚鰭”的寬度僅為14.67nm，這個(gè)尺寸遠(yuǎn)小于最精密浸入式***所能制造的最小尺寸。

這里是FinFET的工藝流程圖，只是簡單描述了前段制造流程。大家可以腦補(bǔ)一下完整制造過程的復(fù)雜程度。

再說說器件材料上的差異吧。有別與傳統(tǒng)平面MOSFET，F(xiàn)inFET的溝道通常較少摻雜甚至不摻雜，比起傳統(tǒng)較多摻雜的平面器件，載流子的遷移率得到了大幅度的提高，也就是說單位電流更大。因?yàn)橛行У窒舳虦系佬?yīng)和增強(qiáng)了柵極控制能力，F(xiàn)inFET還可以使用更厚的氧化層來減少柵漏電流。

隨著FinFET技術(shù)一路從22nm用到5nm芯片，儼然成為了先進(jìn)芯片市場上的主流，也取得了商業(yè)上的巨大成功。但當(dāng)半導(dǎo)體制造工藝推進(jìn)到3nm時(shí)，靜態(tài)電流泄露的問題變得越來越嚴(yán)重，棘手的短溝道效應(yīng)再次出現(xiàn)。

GAA技術(shù)：鰭式的“再進(jìn)化”

既然短溝道效應(yīng)又出現(xiàn)了，那我們再按照FinFET的思路走一遍試試？如果FinFET三面包住還不夠，我們干脆就把它四面全部都包起來！沒錯，GAA技術(shù)就是用的這個(gè)方式突破了FinFET的瓶頸。

GAAFET，全稱Gate-All-Around FET是通過堆疊多個(gè)水平的納米片或納米線，并將MOS結(jié)構(gòu)包裹住納米片（線）的每一個(gè)側(cè)面，讓納米片（線）的每個(gè)表面全是溝道的設(shè)計(jì)理念。

相比FinFET，GAA技術(shù)能夠讓晶體管得以承載更多的電流。在FinFET中，需要通過多個(gè)垂直的“魚鰭”并排放置以增加電流，GAA則通過水平堆疊實(shí)現(xiàn)了對FinFET的全面增強(qiáng)。在柵極控制能力方面，四面全包裹也比三面包裹的FinFET更勝一籌，因此GAA技術(shù)能夠更為精確地控制電流。

毫無疑問在當(dāng)下，GAA對解決3nm及以下尺寸的半導(dǎo)體制造問題尤為關(guān)鍵。在3nm到2nm的階段，業(yè)界最強(qiáng)的三家晶圓制造企業(yè)都不同程度上選擇了GAA。

新思科技作為覆蓋了從硅的生產(chǎn)制造、芯片設(shè)計(jì)及制造的全流程EDA和IP解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者，也與晶圓廠長期緊密合作。通過DTCO (Design Technology Co-optimization)協(xié)同優(yōu)化先進(jìn)的工藝技術(shù)解決方案，積極支持更先進(jìn)的新型晶體管工藝。

本著延續(xù)摩爾定律的目標(biāo)，以從平面向空間的發(fā)展邏輯，許多創(chuàng)新的架構(gòu)設(shè)計(jì)如今也在嶄露頭角：如Forksheet、CFET、Bizen晶體管等等。也許未來的晶體管的主流架構(gòu)，就在這些創(chuàng)新方案之中，讓我們拭目以待吧！

審核編輯：彭菁