先進節點與元件

環繞式閘極(GAA / nanosheet)

在這一級以下的每一級晶片階梯,最後都撞上同一堵牆:電晶體越縮越小,閘極就越來越「抓不住」通道。閘極是開關的「手指」,通道則是它要捏住、好把電流截斷的那根「線」。一旦通道變得又短又寬,這根手指就只能從頂上按下去,而來自源極和汲極的雜散電壓便開始從底部把電流漏走——哪怕這個開關本該是關著的。FinFET 在約 22nm 處給出的答案,是把通道立起來,做成一片薄薄的垂直鰭(fin),讓閘極可以從三面把它包住。環繞式閘極順勢走出了顯而易見的下一步:不是包三面,而是把四面都包起來。

在 GAA 元件裡,通道不再是一片鰭,而是一小疊薄薄的水平片層(這正是 nanosheet「奈米片」一名的由來;Intel 把自家版本叫做 RibbonFET),閘極材料則完整地長在每一片片層的四周——上面、下面、兩側都包住。閘極從每一個方向把通道圍起來,就擁有了盡可能嚴的靜電控制,因而能把一條很短的通道徹底關斷,而漏電極小。這正是 GAA 所要解決的極限,也是業界大約在 3nm 到 2nm 幾代上轉向它的原因——到了那裡,FinFET 的鰭已經太高、太薄、太愛漏電,再也推不下去了。一個額外的好處是可調性:你靠把片層做多寬來設定驅動強度,而不是靠加更多的鰭,這讓設計者對一顆電晶體能輸出多大電流有了更細的掌控。

要記住,像 3nm 這樣的節點名是個行銷標籤,並不是晶片上任何東西的物理尺寸;沒有哪個閘極真的就是 3 奈米長。理解 GAA 最好的方式,是把它看成那種讓閘極始終管得住一條越來越短的通道的結構,為 CMOS 再多換來幾代縮放。比它更進一步的下一步,是把一個 n 型元件和一個 p 型元件上下疊起來,那就是 CFET,目前仍處在研究與早期開發的前沿。

channel cross-section (gate shading = #, channel = []):

  PLANAR          FinFET           GAA / nanosheet
  gate on top     gate on 3 sides  gate on all 4 sides

  ####            #####            #########
  [______]        #[]#             #[______]#
  ----------      #[]#             #[______]#
   substrate      #[]#             #[______]#
                  --+--+--         #########
                  substrate         (stacked sheets, gate wraps each)

從 planar 到 FinFET 再到 GAA,閘極(#)把通道([])包得越來越多:先是一面,再到三面,最後四面全包。包得越多,意味著對更短通道的控制越嚴、關態漏電越少。

GAA 改善的是閘極對通道的控制;它本身並不能解決布線(RC)和供電(IR)這兩個瓶頸,這也正是背面供電(backside power delivery)和小晶片(chiplet)會和它一同登場的原因。

又稱
nanosheetnanosheet FETRibbonFETGAAFET纳米片奈米片全环绕栅极晶体管環繞式閘極電晶體