进军亚纳米时代！FinFET之后，摩尔定律如何延续

前言

一切从摩尔当年吹的一个牛逼说起。

摩尔定律（Moore's law）是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍；经常被引用的“18个月”，是由英特尔首席执行官大卫·豪斯（David House）提出：预计18个月会将芯片的性能提高一倍（即更多的晶体管使其更快），是一种以倍数增长的观测。

 

摩尔定律，是在观察基础上，对趋势的一个总结，同时也是对未来的展望。从摩尔定律提出，至今，已经有几十年的时间。期间，不断的有摩尔定律终结的传言，然而，这些传言却不断被打破。

摩尔定律，终有一天会终结，但是所有人都希望这一天来的越晚越好。

我们从另外一个角度来看，就可以明白，摩尔定律的延续能给我们带来的好处。

 

上图是每1000美元，所能买到的计算能力。相信不久之后，仅仅花1000美元，我们就可以买到与人类大脑计算能力相当的电子产品。

为了让摩尔定律延续到更小的器件尺度，学术界和工业界在不同的材料、器件结构和工作原理方面的探索一直在进行中。探索的问题之一是晶体管的闸极设计。随着器件尺寸越来越小，能否有效的控制晶体管中的电流变得越来越重要。

本文将尝试就小小的晶体管闸极的角度，来见证半导体人是如何不断实现着摩尔当年所吹下的牛逼，使得摩尔定律不断延续传奇。

 

high-k电介质材料的引入（high-k dielectric material）

从亚微米工艺, 到后来的90nm工艺所代表的深亚微米时代，业内一直按照摩尔定律，稳步的发展。

在65nm工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小仅有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体，二氧化硅层已经不能再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法 正常工作。

 

这时候，大家希望找到一种高k介质的材料。

为什么这层二氧化硅需要越来越薄，其实就是为了增大gate与闸极之间的电容。如果能找到高介电常数的物质，也同样能够增大电容值。

采用高电常数（high-k）的栅极介质，并且增加其厚度，则可获得低阈值电压、低沟道漏电、低栅极漏电的良好折中。

2007年，英特尔采用high-k介质技术，发布第一款基于45纳米的四核英特尔至强处理器以及英特尔酷睿2至尊四核处理器。

于是，从45nm开始，进入和high-k时代。

由于high-k介质的引入，随后的28nm制程的研发，也还算顺利。

新的结构

然而在28nm之后，人们发现，如果继续采用传统的Planar结构，摩尔定律难以为继。

这时候，重要到了必须采用一种新的结构的时刻了。

这时候，大家的目光放到了两种非常有前途的结构上，那就是现在赫赫有名的FinFET结构以及他的竞争对手FDSOI。

这两种结构都是由业界泰斗胡正明教授在上世纪90年代提出。然后经过不断的论证和实验，趋于成熟。

他的思路就是，鉴于在关闭状态，source到drain之间的漏电主要发生于距离栅极较远的位置，那么，只需要将闸极厚度做到足够薄，那么漏电将会被有效的控制。

基于这个思路，他提出了两种结构，FinFET以及UTBSOI，UTBSOI是Ultra Thin Body SOI的简称，也就是后来的FDSOI。

FDSOI

FDSOI, 是将cmos与衬底之间通过Buried oxide（埋氧层）隔离。SOI就是Silicon on Insulator的缩写。

 

另外，沟道中的将不会进行掺杂，主要也是工艺上的原因，想象一下，在只有十几个原子的距离之间，进行掺杂，那么掺杂多一两个原子都会对晶体管的性能造成很大的影响，而以目前的技术手段，尚不能做到如此精确的控制。

 

FDSOI的关键点是闸极（body）做到非常薄。只有这样才能够减少SD之间的漏电。如果厚的话，距离栅极远的地方，漏电依然无法避免。

 

这也是为什么当时胡正明教授提出这种结构时，称之为UTBSOI的原因。

FinFET

 

FinFET的鱼鳍（Fin）的结构，增加了栅极对沟道的控制面积，使得栅控能力大大增强，也意味着电压可以进一步降低。

与FDSOI相同，对于闸极材料均不进行掺杂，避免了离散的掺杂原子的散射作用，同重掺杂的平面器件相比，载流子迁移率将会大大提高。

FinFET vs FDSOI：

由于有隔离层与衬底有了隔离，FDSOI有一些特有的特性。

即使衬底可以进行偏压，从而调整晶体管的导通阈值，做到性能与功耗的平衡。虽然目前来看，FDSOI并未成为主流，但是其低成本，低功耗的特性，非常适于现在IOT的大规模应用，因此有其独特的地位。

不过，FDSOI虽有成本优势，因为仍然属于平面工艺，尺寸难以做小，目前来看，在到达12nm之后，将难以再进行缩小。

摩尔定律，将从FinFET这一分支继续向前。

GAAFET

FinFET工艺，使得工艺制程在28nm之后，不断的得以更新换代，直至最新的5nm。

此时，历史似乎又要再次转向。

GAA, 将是这个新的王者吗？

与FinFET的不同之处在于，GAA将通道的四周都被栅极包围，所以称之为Gate All Around。

 

趋势上来看，FinFET的电压已经降到极限，而GAA，能够将工作电压进一步降低。

 

目前，intel准备在5nm上使用GAA，三星，则准备在3nm上采用GAA。根据台积电财报会议公布的最新消息，台积电在其准备量产的3nm工艺制程上，不过可以确认，仍将采用FinFET工艺。

 

Future

FinFET开启了晶体管立体化的时代，相当于将闸极直立起来。GAA，则是将FinFET中的Fin,再次切割出更多的切面以增大与栅极接触面积。

三星提出的称为MBCFET（multi bridge Channle FET）的结构，则更进一步，类似于将FinFET中的多个Fin的结构再进行堆叠。

 

晶体管纵向排列的好处显而易见，以前一个晶体管的面积，现在可以容纳多个晶体管，晶体管的增加，将不会带来面积的变化。

毕竟，摩尔定律指的是单位面积的晶体管数目。

从这个意义上来说。我们真的会进入到亚纳米新时代。

end

十年前，也就是2010年，当传统planar CMOS结构走到尽头时，由于胡正明教授发明的FinFET以及FDSOI新结构晶体管，使得摩尔定律得以延续传奇。

无论未来新的结构会不会替代FinFET，无论摩尔定律会不会在未来某一天终结，但是就像胡正明教授所言，半导体产业本身的发展，仍然远远没有到尽头，即使百年之后，它仍将存在。

谨以此文，向所有从事半导体产业的从业者致敬。