先进节点与器件

全环绕栅极(GAA / nanosheet)

在这一级以下的每一级芯片台阶,最后都撞上同一堵墙:晶体管越缩越小,栅极就越来越「抓不住」沟道。栅极是开关的「手指」,沟道则是它要捏住、好把电流截断的那根「线」。一旦沟道变得又短又宽,这根手指就只能从顶上按下去,而来自源极和漏极的杂散电压便开始从底部把电流漏走——哪怕这个开关本该是关着的。FinFET 在约 22nm 处给出的答案,是把沟道立起来,做成一片薄薄的竖直鳍(fin),让栅极可以从三面把它包住。全环绕栅极顺势走出了显而易见的下一步:不是包三面,而是把四面都包起来。

在 GAA 器件里,沟道不再是一片鳍,而是一小叠薄薄的水平片层(这正是 nanosheet「纳米片」一名的由来;Intel 把自家版本叫做 RibbonFET),栅极材料则完整地长在每一片片层的四周——上面、下面、两侧都包住。栅极从每一个方向把沟道围起来,就拥有了尽可能严的静电控制,因而能把一条很短的沟道彻底关断,而漏电极小。这正是 GAA 所要解决的极限,也是业界大约在 3nm 到 2nm 几代上转向它的原因——到了那里,FinFET 的鳍已经太高、太薄、太爱漏电,再也推不下去了。一个额外的好处是可调性:你靠把片层做多宽来设定驱动强度,而不是靠加更多的鳍,这让设计者对一颗晶体管能输出多大电流有了更细的掌控。

要记住,像 3nm 这样的节点名是个营销标签,并不是芯片上任何东西的物理尺寸;没有哪个栅极真的就是 3 纳米长。理解 GAA 最好的方式,是把它看成那种让栅极始终管得住一条越来越短的沟道的结构,为 CMOS 再多换来几代缩放。比它更进一步的下一步,是把一个 n 型器件和一个 p 型器件上下叠起来,那就是 CFET,目前仍处在研究与早期开发的前沿。

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)

从 planar 到 FinFET 再到 GAA,栅极(#)把沟道([])包得越来越多:先是一面,再到三面,最后四面全包。包得越多,意味着对更短沟道的控制越严、关态漏电越少。

GAA 改善的是栅极对沟道的控制;它本身并不能解决布线(RC)和供电(IR)这两个瓶颈,这也正是背面供电(backside power delivery)和芯粒(chiplet)会和它一同登场的原因。

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