先进节点与器件

FinFET(鳍式场效应晶体管)

几十年来,晶体管基本上都是平的:一条薄薄的沟道平躺在硅的表面,栅极从上方压在它身上,就像一只手平放在桌面上。这套办法一直运行得很漂亮,直到晶体管小到沟道变得太短、再也控制不住为止。一旦源极和漏极挤得太近,栅极就抓不住了,电流会漏过去——哪怕这个开关本该是关断状态。这种漏电就是被白白浪费掉的功耗,也正是终结那个轻松缩放年代的一堵墙。FinFET 就是解药:不再让沟道平躺着,而是把它立起来,变成一道薄薄的、竖直的硅墙,称为鳍(fin),再让栅极从顶上罩下来、沿着两侧一路包过去。现在栅极接触沟道的不再是一个面,而是三个面,于是它抓电流抓得牢得多,关断也干净利落。

一旦你把画面想出来,这个直觉就很简单了。只从一个面去控制一片薄沟道,就像想用一根手指从上往下按、去把一根花园水管掐断;而从三个面去控制,就像用整只手把水管裹起来,一捏几乎什么都漏不过去。这种更紧的静电控制,意味着在小尺寸下漏电更少、关断态功耗更低,也意味着在老式平面晶体管早已无能为力的地方还能继续缩小。FinFET 大约在 22nm 节点成为主流逻辑晶体管,并带着高性能芯片一路走过了一位数纳米的那几代工艺。

值得记住的是,那些节点名字只是营销标签,并不是任何东西的物理宽度;所谓“7nm”的鳍,宽度根本远不止 7nm。真正换来这份控制力的,是鳍的几何形状。最终,连三个面的包裹也不够用了,下一步是让栅极把沟道从四个面整整一圈完全包起来——这就是 3nm 及以下由全环绕栅极(GAA)纳米片晶体管接棒的地方。

side view, gate cut away to show the channel

  PLANAR (1 side)        FinFET (3 sides)       GAA / nanosheet (4 sides)

     gate                   _gate_                  __gate__
   __|||___              | |     | |              |  _____  |
  |________|             | | fin | |              | |_____| | <- gate fully
   channel               | |_____| |              |  _____  |    surrounds
  ----silicon----        |_silicon_|              | |_____| |    each sheet
                                                  |_silicon__|
  gate on top only      gate over top + 2 walls   gate wraps every face

栅极接触沟道的位置:从一个面(平面)到三个面(FinFET)再到四个面全包(全环绕栅极)。包裹得越多,控制越紧,器件缩小时漏电越少。

FinFET 是从平面时代通往全环绕栅极未来的一座桥:在沟道不得不被彻底包围之前,三面控制为缩放争取到了大约十年的时间。

又称
fin field-effect transistortri-gate transistor