晶體管架構世代交替——由FinFET到GAAFET

晶體管自1947年在貝爾實驗室誕生以來，標志著人類電子工程技術的新時代。晶體管進入量產階段后，隨著技術的不斷進步，其密度以每兩年的速度倍增，不斷提升芯片的性能與功能，這也就是著名的「摩爾定律」。

晶體管的基本組成部分包括基板、柵極、源極與汲極，其中，柵極位于源極與汲極之間，且與基板之間隔著一層絕緣層，電流通過通道自汲極流向源極，而電流是否導通則取決于施加在柵極上的電壓，這一設計讓晶體管能夠有效地開關電流，成為現代電子產品的核心組件。

隨著先進工藝的不斷微縮，為了增強柵極對通道的控制能力并降低漏電，晶體管的架構從傳統的2D結構演進至3D的FinFET架構，FinFET架構的引入，顯著增強了柵極對通道的控制并減輕短通道效應，提供更佳的功耗和效能優勢。到了2023年，晶體管架構進一步演變為GAAFET，在GAAFET架構中，柵極以四個方向完整包覆通道，提供了更佳的控制能力，使其在面對更嚴峻的工藝挑戰時晶體管仍然能穩定地提升其性能。

盡管GAAFET架構看似復雜，但有研究文章指出，GAAFET架構在工藝上仍有很大一部分沿用原有的FinFET架構的工藝，降低了晶圓代工廠在GAAFET架構的工藝研發上所面對的技術挑戰。

為了更直觀地了解這兩種架構的差異，本文將利用高倍率的電子顯微鏡影像進行深入的探討與分析，希望透過這些高分辨率的影像，清晰地觀察到這兩種架構在結構微觀層面上的特征，讓讀者能對晶體管的架構及其技術上的變革，能有更深刻的認識與理解。

在接下來的文章中，我們將展示這兩種晶體管架構的電子顯微鏡影像，以及對其結構的詳細解讀，帶領讀者深入了解晶體管技術的演變及未來的發展方向。我們這次比較的產品是Samsung S22與Samsung Galaxy Watch 7，Samsung S22的應用處理器為Exynos 2200，使用的是Samsung 4nm FinFET工藝節點，Samsung Galaxy Watch 7的應用處理器為Exynos W1000，使用的是Samsung 3nm MBCFET工藝節點，其中MBC為Multi bridge channel的縮寫，就是柵極環繞整個通道的架構，也就是GAA架構。

由Samsung官網中所提供FinFET與MBCFET的動畫圖(圖1)，可以清楚的了解到這兩種晶體管架構的差異最主要是在柵極的結構，FinFET架構中的柵極是將通道三方包圍，而MBCFET的通道四面則是完全被柵極所包圍。

圖1：FinFET與GAAFET晶體管架構動畫圖。(來源：https://semiconductor.samsung.com/news-events/tech-blog/3nm-gaa-mbcfet-unrivaled-sram-design-flexibility/")

圖2a&b分別是4nm FinFET與3nm MBCFET的平面掃描穿透式顯微鏡的影像，分析的位置都在其應用處理器的6T-SRAM區域，由圖中我們可以清楚看到Fin(以紅色、綠色、黃色箭號標示)是沿著縱軸(Y)的方向排列，Fin的寬度則有明顯的差異，FinFET (圖2a)中的Fin的寬度最窄，N-Fin與P-Fin的寬度并沒有發現有明顯的差異，以紅色F1標示，而MBCFET (圖2b)中的Fin則明顯寬很多，且寬度可以分成兩種，分別以綠色F2與黃色F3標示，這剛好與通過的晶體管型態有直接關系，最寬的Fin(F2)通過的是NMOS，而次寬的Fin(F3)通過的是PMOS。

我們將6T-SRAM的單元用紅色虛線方框標示發現，4nm FinFET與3nm MBCFET架構在其單元內分別包含6根與4根Fin，而在橫軸方向都是包含兩個多晶硅柵極(Poly gate)，為了解工藝的微縮程度，一般讀者都會有興趣比較前后代工藝在關鍵尺寸(CD)的差異，例如多晶硅柵極間距(Poly pitch)、鰭片間距(Fin pitch)…等，但因為我們分析這兩個6T-SRAM的區域并非在同一功能區塊，在此只能就工藝的細節做討論，無法比較相關的關鍵尺寸。

新一代晶體管在架構上有了革命性的改良，為了使其有更好的效能，通常在工藝上也可能會導入新材料，我們利用EDS Mapping來分析這兩種晶體管架構的元素分布，由圖2c&d的結果我們可以清楚了解在EDS分析的分辨率下，4nm FinFET與3nm MBCFET在元素分布上并沒有明顯的差異，如果需要確認兩者之間的微小差異，我們就必須借重分辨率更高的分析工具。

圖2：(a) Samsung 4nm FinFET掃描穿透式電子顯微鏡影像，Fin以紅色箭號標示(F1);(b) Samsung 3nm MBCFET掃描穿透式電子顯微鏡影像，Fin以綠色(NMOS)與黃色(PMOS)箭號標示(F2&F3)。6T-SRAM單元以紅色虛線方框標示，(c)&(d) 分別為(a)&(b)的EDS Mapping。

平面搭配截面穿透式顯微鏡的分析才能完全呈現3D晶體管的形貌，圖3是4nm FinFET與3nm MBCFET的截面穿透式顯微鏡沿著Gate方向分析的影像，這個方向剛好可以讓我們清楚觀察Fin的形貌與信道的截面，信道的截面以綠色虛線方框標示，在FinFET的架構下，通道的截面是細長柱狀的結構，但寬度并不完全均勻，上面較寬，靠近柵極下方邊緣轉折處較窄，而MBCFET在每個Fin上方都有3個信道，信道截面為四角呈現圓弧的長方形形狀，稱為納米薄片(Nanosheet)。

根據我們先前的分析，N-信道較P-信道寬，寬度分別約為16nm與11nm，高度都約為5nm，由圖3a&b的截面觀察方向我們也可以清楚觀察到這兩種架構在Fin與通道在寬度上的差異，這與圖2在平面方向的觀察是一致的，另外，我們也將Gate方向的截面利用EDS Mapping來分析這兩種架構組成元素的分布情形，其結果呈現在圖3c&d。

站在晶圓代工廠的立場，研發新的晶體管架構工藝顯然比沿用已經成熟穩定的工藝，就資本支出上一定高出許多，且存在許多風險，因此都會傾向以不變應萬變，繼續沿用原來架構的工藝，直到碰觸到再也無法提升效能或衍生致命性問題的情形。

圖3：(a)&(b) Samsung 4nm FinFET與Samsung 3nm MBCFET沿著柵極方向的穿透式電子顯微鏡影像，其中一信道截面以綠色斜線方框標示。(c)&(d)分別為a&b的EDS Mapping。

FinFET晶體管架構在2012年正式量產后，工藝節點由22nm推進到3nm，歷經12個年頭已接近尾聲，全球主要先進晶圓代工廠一致認為3nm以下會改由GAAFET架構接棒，其改弦易轍的原因主要是來自于FinFET天生架構的限制，考慮晶體管的特性/效能有三大因素，分別是柵極的控制力、電容、以及乘載電流。

隨著工藝的微縮，要有好的柵極控制力就必縮小Fin的寬度，要減少電容就必須縮減鰭片間距，要增加乘載電流就必須提高Fin的高度，然而由4nm FinFET的影像來看(圖2a)，要進一步縮減/提高Fin的寬度/高度在蝕刻(Etching)與切割(Cutting)上面臨了極大的困難與技術挑戰，且當提高Fin高度的同時，卻會衍生出寄生電容問題。

另一方面，Fin的數量都會是整數，在不提高Fin的高度下，為了增加乘載電流以提升效能就必須在標準單元內再增加一或兩個Fin，而增加的Fin就一定會占有面積，如此做法則會導致標準單元不但沒有微縮反而還增大，背道而馳，綜合上述說明可以清楚了解FinFET架構在走到3nm工藝節點后，為了讓工藝持續微縮、晶體管的效能持續提升，就必須以新的架構取代FinFET，考慮到現有FinFET工藝的兼容性，很自然地，GAAFET架構便油然而生。

圖4：(a) Samsung 4nm FinFET在通道附近的局部放大圖，紅色雙箭號分別標示fin的通道寬度，(b)&(c) Samsung 3nm MBCFET在N&P通道附近的局部放大圖，分析方向：沿著柵極方向。

Samsung 3nm MBCFET架構就是改良了上述FinFET架構所面臨的問題，我們用較高分辨率的影像來比較兩種架構的形貌，FinFET (圖4a)的通道寬度有寬有窄，形狀較不規則，且柵極只有在三個方向包覆著通道，相反地，MBCFET (圖4b&c)架構的通道則是完全被柵極所包圍，因此有較佳的柵極控制能力，利用兩個垂直方向的截面電子顯微鏡分析，我們可以獲得MBCFET信道的3D結構。圖4b&c與圖5分別是沿著Gate與NMOS分析方向的影像，可以清楚觀察到通道截面與側面被柵極包覆的狀況是相當完整的，通道在截面方向(圖4a&b)的寬度也算均勻。

圖5：大圖顯示Samsung 3nm MBCFET沿著NMOS方向的穿透式電子顯微鏡影像；小圖則是上、中、下通道局部放大圖。

另外，MBCFET的納米薄片還有另一項優勢，那就是其寬度可以在不增加標準單元的情形下，比FinFET更有彈性的調整空間，這由圖4a&b中MBCFET架構的通道寬度因為NMOS與PMOS的電性匹配而有兩種寬度得到印證，更重要的是，根據Samsung所發表的文章，MBCFET架構沿用90 %或甚至更多原本FinFET架構的工藝，因此工藝由FinFET轉變成MBCFET架構才得以順利完成。

個人行動裝置可以說是推動晶體管架構由平面轉為3D的主要驅動力，而由3D架構進入到埃米世代(A世代)將會是由有著海量需求的人工智能(AI)所推動。根據先進工藝研究機構imec的技術藍圖，GAAFET前后將會有兩個主要的架構，先是納米薄片，接著是叉薄片(Forksheet)，預計在2032年會開始導入互補式晶體管(CFET)架構，結合新穎的二維材料與創新的工藝技術，CFET的標準單元將由GAAFET架構的5-6進一步縮小至4或甚至更小。可以說，從今年往后看至少10年，邏輯晶體管的發展是相當精彩可期，且讓我們拭目以待。