GAA:全环绕栅极晶体管的优势

定义

GAA,一般指全环绕栅极晶体管,全称是Gate-All-Around FET。GAA被广泛认为是鳍式结构(FinFET)的下一代接任者。
GAA演变过程

1. 晶体管架构的演变

晶体管已经发展到通过按照摩尔定律不断扩大特征尺寸来降低制造成本,同时提高电路性能。

传统的平面晶体管是通过将栅极放置在沟道区域的顶部而形成的,从而有效地使器件在二维平面上导电。然而,随着栅极长度的缩放,这限制了通道电荷的栅极可控性。因此,引入了FinFET架构,以进一步实现特征尺寸缩放。在鳍式场效应晶体管中,沟道的三面被栅极包围。

通过增强通道电荷的栅极可控性,在更小的占位面积上实现了性能的提高、漏电流的降低和栅极长度的缩放。由于这些优势,FinFET允许从14纳米及更高波长成功扩展技术。然而,进一步调整工作电压极具挑战性。为了克服这一限制,引入了在通道的所有四个侧面都具有栅电极的栅极全能(GAA)晶体管。这样可以在降低工作功耗的同时显著提高性能,从而推动基于CMOS的新技术的发展。

 三星MBCFETTM

MBCFETTM是三星独特的专利GAA版本。由于通道的纳米线格式小,传统的GAA需要更多的堆栈,这增加了工艺的复杂性。然而,三星的 MBCFETTM 通道以纳米片形式形成,因此每个堆栈可以实现更大的电流,从而实现更简单的设备集成。

MBCFETTM的优势

  1. 最节能的技术:在过去的几年里,该行业一直致力于降低工作电压。较低的工作电压等同于更高的电源效率。事实证明,使用鳍式场效应晶体管架构将工作电压降低到0.75V以下是极其困难的。然而,由于MOSFET具有更好的开关特性,因此可以进一步降低工作电压。
  2. 灵活的设计优化:根据产品要求,可以通过调制器件通道宽度来获得高性能或低功耗。在鳍式场效应晶体管结构中,有必要以分立方式调制器件的数量,即鳍片。同时,在MBCFETTM中,纳米片的宽度可以像平面型器件一样灵活,因此可以在设计阶段通过更好地利用面积来优化电路性能。此外,与FinFET相比,MBCFETTM具有更大的潜力,可以通过垂直堆叠额外的纳米片来提高同一区域的性能。
  3. 与现有流程兼容:三星将MBCFETTM定义为与现有的FinFET工艺兼容。这意味着MBCFETTM技术共享相同的成熟工艺工具和制造方法。这导致了一个具有成本效益的平台和客户产品的快速提升。

功耗、性能和面积优势

7nm FinFETvs 高级节点 MBCFETTM 在 PPA 方面,与 7nm 工艺技术相比,设计人员可以预期功耗降低多达 50%,性能提高约 30%,面积减少 45%。

GAA的缺点是什么?

它们比结型晶体管更昂贵。
与BJT相比,增益带宽积更小。
跨导低,因此电压增益低。
与BJT相比,它具有更短的切换时间。
安装过程中需要特殊处理。
当 FET 性能随着频率的增加而下降时。

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