半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)向納米尺度推進(jìn)的過程，晶體管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新成為突破物理極限的關(guān)鍵。從FinFET到GAA(全環(huán)繞柵極)晶體管的技術(shù)迭代，本質(zhì)上是對量子隧穿效應(yīng)、短溝道效應(yīng)等微觀物理現(xiàn)象的主動(dòng)應(yīng)對。GAA晶體管通過納米片或納米線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柵極對溝道的四面包裹，而FinFET則依賴三維鰭片結(jié)構(gòu)抑制漏電流。兩者在技術(shù)路徑上的差異，折射出半導(dǎo)體行業(yè)在追求更高集成度與更低功耗過程中面臨的深層挑戰(zhàn)。

一、GAA晶體管的納米片結(jié)構(gòu)：突破物理極限的核心設(shè)計(jì)

GAA晶體管的核心優(yōu)勢在于其納米片或納米線結(jié)構(gòu)對溝道的四面包裹。相較于FinFET的三面包裹結(jié)構(gòu)，GAA的柵極控制能力顯著增強(qiáng)。以三星的MBCFET(多橋溝道場效應(yīng)管)為例，其采用水平堆疊的納米片替代納米線，在保留GAA優(yōu)勢的同時(shí)降低了工藝復(fù)雜度。這種設(shè)計(jì)允許通過調(diào)整納米片寬度精確控制晶體管性能：較寬的納米片可提升驅(qū)動(dòng)電流，較薄的納米片則降低靜態(tài)功耗。

1. 納米片結(jié)構(gòu)的物理優(yōu)勢

增強(qiáng)柵控能力：納米片四周被柵極包裹，形成均勻的電場分布，有效抑制短溝道效應(yīng)。

靈活的尺寸調(diào)節(jié)：納米片厚度可通過外延生長工藝精確控制，適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求。

高集成度潛力：堆疊納米片結(jié)構(gòu)可在有限面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多晶體管并行，提升芯片算力密度。

2. 納米片結(jié)構(gòu)的工藝挑戰(zhàn)

界面缺陷控制：納米片釋放后表面殘留的微量雜質(zhì)(如Ge原子)會(huì)引發(fā)額外界面缺陷，導(dǎo)致載流子遷移率下降。

寄生溝道效應(yīng)：子鰭頂部可能形成寄生溝道平面FET，影響器件開關(guān)特性。

工藝均勻性：納米片厚度需在晶圓級保持高度一致，否則會(huì)導(dǎo)致性能波動(dòng)。

3. 低溫臭氧處理技術(shù)的突破

針對界面缺陷問題，中科院微電子所提出低溫臭氧準(zhǔn)原子級腐蝕(qALE)技術(shù)。該技術(shù)通過極薄厚度的臭氧自限制氧化與腐蝕反應(yīng)，精準(zhǔn)去除納米片表面殘留的Ge原子，同時(shí)避免損傷內(nèi)層Si溝道。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用qALE處理后，納米片溝道的界面態(tài)密度降低兩個(gè)數(shù)量級，亞閾值開關(guān)擺幅優(yōu)化至60.3mV/dec，接近器件熱力學(xué)理論極限。

二、FinFET的量子隧穿抑制策略：從三維鰭片到材料創(chuàng)新

FinFET通過將源漏極“立起來”形成三維鰭片結(jié)構(gòu)，在22nm至5nm節(jié)點(diǎn)成功延續(xù)了摩爾定律。其核心優(yōu)勢在于柵極對溝道三面包裹形成的靜電控制能力，但隨著晶體管尺寸縮小至3nm以下，量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的漏電流問題愈發(fā)顯著。

1. 量子隧穿效應(yīng)的物理機(jī)制

當(dāng)柵極絕緣層厚度縮小至納米級時(shí)，電子可通過量子隧穿效應(yīng)穿過勢壘，導(dǎo)致漏電流增加。這種效應(yīng)在FinFET中表現(xiàn)為：

柵極漏電流：電子從柵極穿過絕緣層進(jìn)入溝道，增加靜態(tài)功耗。

亞閾值漏電流：晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下仍存在微弱電流，影響邏輯電路的穩(wěn)定性。

2. FinFET的量子隧穿抑制技術(shù)

高k金屬柵極：采用高介電常數(shù)材料替代傳統(tǒng)SiO?，可在相同等效氧化層厚度(EOT)下增加物理厚度，抑制隧穿電流。

應(yīng)變硅技術(shù)：通過在溝道中引入機(jī)械應(yīng)變，提升載流子遷移率，降低工作電壓，從而減少隧穿概率。

SOI襯底：在絕緣體上硅(SOI)襯底中，埋氧層可有效隔離漏電流路徑，但需權(quán)衡散熱性能與制造成本。

3. 體FinFET與SOI FinFET的對比

體FinFET：基于體硅襯底，具有缺陷密度低、成本低、散熱性能好的優(yōu)勢，適用于高性能計(jì)算場景。

SOI FinFET：通過埋氧層隔離漏電流，但埋氧層的低導(dǎo)熱系數(shù)限制了其在大功率器件中的應(yīng)用。

三、GAA與FinFET的技術(shù)協(xié)同：從5nm到3nm的過渡路徑

盡管GAA晶體管在3nm及以下節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但FinFET在5nm節(jié)點(diǎn)的成熟性與制造成本仍使其具備競爭力。兩者在技術(shù)路徑上的協(xié)同，反映了半導(dǎo)體行業(yè)對物理極限的漸進(jìn)式突破。

1. 臺積電的FinFET延續(xù)策略

臺積電在3nm節(jié)點(diǎn)選擇繼續(xù)優(yōu)化FinFET結(jié)構(gòu)，通過N3E工藝實(shí)現(xiàn)：

性能提升18%：通過改進(jìn)鰭片形狀與柵極材料，增強(qiáng)柵控能力。

功耗降低34%：結(jié)合高k金屬柵極與應(yīng)變硅技術(shù)，抑制隧穿電流。

晶體管密度提升30%：通過優(yōu)化鰭片間距與光刻工藝，提升集成度。

2. 三星的GAA量產(chǎn)實(shí)踐

三星在3nm節(jié)點(diǎn)率先采用GAA-MBCFET結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)：

柵極可控性提升31%：納米片四面包裹結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)柵控能力。

設(shè)計(jì)靈活性：納米片寬度可通過光刻工藝直接調(diào)整，適應(yīng)不同性能需求。

工藝兼容性：90%的FinFET制造設(shè)備與工藝可直接復(fù)用，降低制造成本。

3. 未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)的展望

2nm節(jié)點(diǎn)：臺積電計(jì)劃采用Forksheet結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)一步縮小柵極間距提升集成度。

1nm節(jié)點(diǎn)：CFET(互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)被提出，通過將NMOS與PMOS垂直堆疊，實(shí)現(xiàn)晶體管密度的指數(shù)級增長。

新材料應(yīng)用：碳納米管、砷化銦鎵等材料因其高電子遷移率與低功耗特性，成為1nm以下節(jié)點(diǎn)的潛在候選。

四、GAA晶體管的未來挑戰(zhàn)：從工藝優(yōu)化到量子計(jì)算協(xié)同

盡管GAA晶體管在3nm節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但其商業(yè)化仍面臨工藝復(fù)雜度、制造成本與量子效應(yīng)協(xié)同等挑戰(zhàn)。

1. 工藝復(fù)雜度與制造成本

納米片厚度控制：需通過原子層沉積(ALD)與外延生長工藝實(shí)現(xiàn)納米級厚度均勻性。

子鰭寬度優(yōu)化：需采用各向同性反應(yīng)離子蝕刻或原子層蝕刻技術(shù)，精確控制子鰭寬度以抑制寄生溝道。

光刻工藝升級：需引入EUV極紫外光刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米級特征尺寸的精確轉(zhuǎn)移。

2. 量子效應(yīng)的協(xié)同利用

量子隧穿效應(yīng)的主動(dòng)調(diào)控：通過設(shè)計(jì)量子點(diǎn)或量子阱結(jié)構(gòu)，將隧穿電流轉(zhuǎn)化為可利用的量子比特操作。

量子-經(jīng)典混合計(jì)算：在GAA晶體管中集成量子比特，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算的協(xié)同優(yōu)化。

3. 生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新

EDA工具升級：需開發(fā)支持GAA晶體管量子效應(yīng)模擬的EDA工具，加速設(shè)計(jì)迭代。

封裝技術(shù)協(xié)同：需通過2.5D/3D封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)GAA晶體管與高帶寬內(nèi)存(HBM)的異質(zhì)集成。

總結(jié)

GAA晶體管的納米片結(jié)構(gòu)與FinFET的量子隧穿抑制策略，共同構(gòu)成了半導(dǎo)體技術(shù)向納米尺度推進(jìn)的核心路徑。從低溫臭氧處理技術(shù)對界面缺陷的精準(zhǔn)控制，到高k金屬柵極對隧穿電流的抑制，行業(yè)在突破物理極限的過程中展現(xiàn)出深刻的工程智慧。未來，隨著量子效應(yīng)的主動(dòng)調(diào)控與新材料的應(yīng)用，GAA晶體管有望在3nm以下節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)算力密度與能效比的雙重突破，為人工智能、量子計(jì)算等新興領(lǐng)域提供底層支撐。