3nm！昨天，在三星的代工論壇活動(dòng)中，三星發(fā)布了其第一款3nm工藝的產(chǎn)品設(shè)計(jì)套件（PDK），旨在幫助客戶盡早開(kāi)始設(shè)計(jì)工作，提高設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間（TAT）。

這一宣布的特別之處在于，3nm是三星打算推出下一代環(huán)繞柵極 Gate-All-Around（GAA）技術(shù)以取代FinFET的工藝節(jié)點(diǎn)。這個(gè)被稱為當(dāng)前FinFET 技術(shù)進(jìn)化版的生產(chǎn)技術(shù)，能夠?qū)π酒诵牡?a target="_blank">晶體管進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造，使其更小更快！

三星的3nm工藝節(jié)點(diǎn)采用的GAAFET晶體管是什么？

晶體管結(jié)構(gòu)：過(guò)去（平面晶體管Planar FET）、現(xiàn)在（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管FinFET）、未來(lái)（環(huán)繞柵極晶體管GAAFET）。

目前只有三星一家布局了GAAFET結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于3nm，而三星在GAAFET獨(dú)創(chuàng)了優(yōu)化后的版本MBCFET結(jié)構(gòu)。

為了方便理解，介紹下晶體管的發(fā)展歷史故事梗概。

故事大概是這樣的：眾所周知，0和1生萬(wàn)物，是信息世界（說(shuō)現(xiàn)實(shí)世界也沒(méi)毛病）的“道”，而晶體管承載著將0101之類的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體硬件。晶體管由“溝道”和“柵極”組成，其中電流在半導(dǎo)體的源極和漏極之間流動(dòng)，“柵極”用于管理流過(guò)溝道的電流。 門通過(guò)放大電信號(hào)并且還用作開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 因此，晶體管基本上是半導(dǎo)體芯片的基本元件。

隨著晶體管變小，源極和漏極之間的距離變小，使得晶體管難以作為開(kāi)關(guān)工作。 這被稱為“短溝道效應(yīng)”，平面晶體管的設(shè)計(jì)停留在20nm節(jié)點(diǎn)。

為了克服短溝道效應(yīng)，全耗盡晶體管成為下一代晶體管。 該晶體管使用薄硅（Si）溝道，通過(guò)增強(qiáng)柵極調(diào)整溝道的能力來(lái)避免短溝道效應(yīng)。 其結(jié)構(gòu)格式由傳統(tǒng)晶體管（平面溝道上的柵極）演變而來(lái)，變成薄而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，具有與三個(gè)側(cè)面的門互鎖的直立矩形通道。 由于這個(gè)薄的站立通道有點(diǎn)像魚(yú)的背鰭，它也被稱為'鰭式晶體管'。

平面晶體管僅允許溝道和柵極僅在一個(gè)平面中接觸，但是鰭式晶體管具有三維結(jié)構(gòu)，其允許溝道的三個(gè)側(cè)面（不包括其底部）與柵極接觸。 這種與柵極的增加的接觸改善了半導(dǎo)體性能并且增加了工作電壓的降低，解決了由短溝道效應(yīng)引起的問(wèn)題。

然而，在經(jīng)過(guò)幾代開(kāi)發(fā)和工藝轉(zhuǎn)換之后，鰭式晶體管現(xiàn)在也面臨著局限。 半導(dǎo)體工業(yè)越來(lái)越需要能夠進(jìn)一步降低工作電壓的晶體管。 盡管鰭式晶體管的三維結(jié)構(gòu)，四個(gè)側(cè)面中只有三個(gè)與柵極接觸現(xiàn)在正成為限制，所以FinFET晶體管也就只能支撐到4nm節(jié)點(diǎn)。

接下來(lái)怎么辦，按照剛才的思路，溝道和柵極的接觸面越多越好，那么如何讓它四個(gè)面都接觸呢，GAAFET應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)設(shè)計(jì)使得溝道的四個(gè)截面都和柵極接觸，360度環(huán)繞消除短溝道效應(yīng)。

典型的GAA晶體管是納米柱，直徑太小才1nm，但是溝道需要盡可能寬允許大量電流通過(guò)，所以三星把這幾根納米柱改成面積大的納米片，被稱為MBCFET晶體管（多橋通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管），這是三星的專利設(shè)計(jì)，MBCFET?通過(guò)將線形通道結(jié)構(gòu)與二維納米片對(duì)齊，增加了與柵極接觸的面積，從而實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的器件集成以及增加電流。 三星的MBCFET?是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的晶體管結(jié)構(gòu)，它不僅包括通過(guò)GAA結(jié)構(gòu)減輕短溝道效應(yīng)的手段，而且還通過(guò)擴(kuò)展通道面積來(lái)提高性能。

與現(xiàn)有的7nm鰭式晶體管工藝技術(shù)相比，MBCFET?可將功耗降低50％，性能提高30％，并將晶體管占用面積減少45％。

GAA晶體管的發(fā)展，相當(dāng)于半導(dǎo)體技術(shù)的工業(yè)革命，是一個(gè)艱難的過(guò)程，三星是目前唯一提供未來(lái)交付計(jì)劃的公司。 此外，MBCFET?的成功創(chuàng)造標(biāo)志著三星全球業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力。 它為改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)，否則如果按照FinFET的思路，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將停留在4nm規(guī)模。

三星在這方面搶占了先機(jī)，比臺(tái)積電和英特爾早了至少一年，三星的3nm Gate-All-Around（GAA）工藝，3GAE，開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中。該公司今天指出，它的工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）版本0.1 for 3GAE已于4月發(fā)布。

上個(gè)月24日，三星電子宣布，將在未來(lái)10年內(nèi)（至2030年）在包括代工服務(wù)在內(nèi)的其邏輯芯片業(yè)務(wù)上投資133兆韓元 (約1158億美元 )，以期超越臺(tái)積電，成為全球第一大芯片代工廠，目前看來(lái)，布局3nm GAA工藝是一個(gè)好開(kāi)端。