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GAAFET為何在3nm節點輸給FinFET?

這個時間節點之下的關鍵技術熱點便是GAAFET (和chiplet)。但台積電和Intel仍將在3nm節點上使用FinFET電晶體,台積電認為3nm節點應用FinFET能降低風險…

www.eettaiwan.com, Mar. 25, 2022 – 

幾十年來,半導體產業每18~24個月晶片製程都有一次演進,實現更高的電晶體密度,達成更低的電晶體成本。雖說單電晶體成本這些年在增加,但摩爾定律的某些組成部分也還在延續。每個節點之下,某個維度的電晶體尺寸(gate length)縮減至上一代的0.7倍,在相同功耗下要達成性能40%的提升,與此同時面積有50%的縮減。這個「定律」推動了大量電子產品的發展,功耗更低、速度更快、功能更多。

傳統的2D平面結構電晶體(planar transistor)在多個製程節點上延續,藉由更先進的微影設備和其他製程技術進步來實現。但2011年,產業在20nm節點遭遇瓶頸,這種結構的電晶體開始出現短通道效應(short-channel effects)。如果將電晶體視作一個開關,則在開關原本應當處在關斷狀態時,電晶體的源極和汲極卻仍然存在漏電流。

於是英特爾(Intel)率先從平面結構電晶體轉向了FinFET,諸多晶圓代工廠也在16/14nm節點完成了這一電晶體結構的轉向。相較平面結構電晶體,電晶體上鰭(fin)的出現使其3個面都與閘(gate)有接觸,實現更好的開關控制。這種結構的電晶體一直沿用至今,如今最尖端的7/5nm製程都還在用。

但在7nm製程以下,靜態漏電的問題越來越大,原本製程演進的功耗和性能紅利逐漸消失,這也是近些年摩爾定律失效之說甚囂塵上的主要原因。當代尖端製程演進實現的同功耗性能提升,的的確確就只有15~20%,甚至可能還不到。

但時代發展的步伐顯然是不允許摩爾定律停滯,全社會的數位轉型、AI對運算力的貪婪需求、自動駕駛技術突飛猛進,都要求半導體製程持續更快速地演進,這個時間節點之下的關鍵技術熱點便是GAAFET (和chiplet)。

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