Verdict結論
FinFET與GAA最大的差異在於「閘極包覆通道的面數」。FinFET是由閘極包覆垂直矽鰭片三面的結構,自22nm世代起廣泛採用。GAA是由閘極包覆水平奈米片全周的四面閘極結構,能進一步抑制短通道效應,並可透過奈米片的片數與寬度彈性設計驅動電流。三星(Samsung)自3nm世代起、台積電(TSMC)也自N2世代起轉向GAA。
主要差異
| 比較項目 | FinFET | GAA(奈米片) |
|---|---|---|
| 閘極接觸的面 | 鰭片的3面(三面閘極) | 通道全周(四面閘極) |
| 通道形狀 | 垂直鰭片(寬度約5~7nm) | 水平奈米片(多片堆疊) |
| 閘極控制力與短通道效應抑制 | FinFET已大幅改善,但仍有極限 | 全周閘極實現更高的控制力 |
| 驅動電流的調整 | 以鰭片數調整(階段式) | 可依奈米片的片數與寬度彈性設計 |
| 製程複雜度 | 成熟,設備生態系已建立 | 增加犧牲層(SiGe/Si超晶格)的選擇性蝕刻等步驟 |
| 主要採用節點 | 22nm~5nm(台積電/三星) | 3nm以後(三星GAA、台積電N2等) |
為什麼需要轉向GAA
隨著鰭片寬度縮小,FinFET的閘極控制力逐漸逼近極限,短通道效應(SCE)越來越難以抑制。GAA由閘極包覆通道全周,靜電控制在本質上更優異,能在同一節點同時兼顧降低漏電流與提高驅動電流。此外,透過改變奈米片的堆疊數與寬度,可在同一製程中混合設計高效能型與低功耗型電晶體,這種彈性也是一大優點。
對製程設備的影響
GAA的製造中,會先形成Si與SiGe(矽鍺)交替堆疊的超晶格結構,之後再選擇性去除SiGe犧牲層以釋放奈米片通道,因而增加了製程步驟。此選擇性蝕刻要求高選擇比(SiGe/Si選擇比100以上),因此原子層蝕刻(ALE)技術與新世代蝕刻設備,以及利用高精度ALD(原子層沉積)形成內側閘極絕緣膜與閘極金屬,都不可或缺。
常見問題
GAA是何時開始量產的?
一般認為三星於2022年在3nm節點開始量產GAA(MBCFET)是全球首例。台積電計畫自N2世代(相當於2nm節點)起採用GAA(奈米片FET)。
GAA與奈米線有何不同?
奈米線是由閘極包覆圓柱狀細矽柱全周的結構。GAA奈米片則是將奈米線橫向壓扁成平板狀,在相同寬度下驅動電流更高,設計自由度也更大。目前量產的GAA幾乎都是奈米片型。
從FinFET轉向GAA,需要哪些新設備?
特別重要的有:用於形成SiGe/Si超晶格的磊晶成長設備、用於高選擇比去除SiGe的蝕刻設備(含原子層蝕刻),以及為了在奈米片內側形成閘極絕緣膜與金屬閘極而升級的ALD設備。