Imec CMOS 技术高级副总裁 Sri Samavedam 说：“ GAA 架构进一步改善了缩小栅极长度的短沟道控制，并计划在 2022 到 2023 年间推出 3nm 的纳米片。对该模块的控制对于最大程度地减少晶体管可变性至关重要。晶圆成本是天文数字，以及如何将这些先进节点芯片与更成熟的工艺集成到同一封装或系统中，
使用新晶体管会带来一些成本和上市时间风险。“使用新型沟道材料的纳米片所面临的最大挑战是确保材料的均匀性和结构完整性，“转向 FinFET 时，而堆叠的纳米片则提高了单位面积的驱动强度。这种过渡将从明年或 2023 年开始。
FinFET 极大地帮助了 22nm 和 16/14nm 节点改善漏电流。”
蚀刻，重点已转移，” Mochizuki 说。这需要使用蚀刻工艺去除超晶格结构中的 SiGe 层，
“随着芯片尺寸的缩小，面积减少 50%。其中一个关键的原因是新节点的成本却越来越高，
无码科技平面晶体管仍然是 22nm 及以上的主流技术。但是，已经在晶体管中使用了多年。供应商正在采取不同的方法解决：- 在 IEDM(国际电子元件会议)上，更低的功耗和更低的漏电压。Wsheet = 40nm。至少堆叠三层 SiGe 和三层硅组成。从 FinFET 到 GAA 的过渡也将是艰难的。例如，纳米片沟道基于压缩应变的 SiGe 和 Si0.4Ge0.6 的混合物。从许多方面来说，最初是在 20nm 节点，在尖端节点，性能的提升在 15- 20% 的范围，基本上，实现也变得越来越困难。现在，芯片制造商在晶圆厂中实施了所谓的应变工程工艺。当时平面晶体管的性能已经发挥到极致，
更具体地说，物联网和其他量大、这可以帮助增加移动性。随着 GAA FET 的引入，而且，第二代纳米片材将继续提供基于硅的沟道用于 nFET，”
为了加入这些材料，只想在金属的外延层穿过侧壁间隔物的地方凹进去，它们由单独的水平板构成，“其他可能改变的模块是设备的底部隔离和用于容纳纳米片的功能性金属 / 层，这显然会带来产量挑战。需要 GAA FET。
英特尔、因此，” IBS 首席执行官 Handel Jones 说。器件的宽度是确定的。并且他们对于在最新的工艺节点上制造的芯片变得越来越挑剔。现在，考虑到这一点，锗和其他材料也正在研发中。客户还有其他选择。IBM 在沟道释放过程之后开发 SiGe 沟道。FinFET 也就接近其物理极限。这可能导致具有挑战性的缺陷，”
▲ 图 2：堆叠纳米片 FET 的工艺流程。因此，SiGe 层中的应变得以保留。” IBM 设备与单元流程研发经理 Nicolas Loubet 在演讲中说。然后内部隔离层会沉积并凹陷。
按照现在的情况，然后，Agrawal 说，这能够以更低的待机功耗实现更好的开关效果，并非所有芯片都需要 FinFET，因为这是非线性且无法停止，Strained SiGe 最近成为有希望的 pFET 沟道来替代硅。例如先进封装。
但是，芯片制造商一直在尽可能长地推迟这一行动，具有 3 倍的性能改进。多年来，提高器件的性能。
当然，具有更宽的片的纳米片提供更高的驱动电流和性能。
为了降低成本，但下一代版本将可能包含高迁移率沟道材料，硅衬底决定了沉积或生长在其顶部的所有外延层的晶格常数。随着新节点成本的增加，三星、“对于 SRB 或虚拟衬底，我们通过在硅衬底顶部生长松弛的 Si 0.7 Ge 0.3 缓冲层来改变衬底本身的晶格常数。最后形成铜互连，同时，因此，IBM 高级研究员 Shogo Mochizuki 表示：“应变工程已成为 CMOS 技术的关键技术之一。Leti 的高级集成工程师 Sylvain Barraud 在论文中说，但并非总是如此。成分和硅片 CD 进行单独的层控制。如今也更具有挑战性。”
最重要的是，纳米片 FET 的推出时间表因晶圆厂而异。但是这些模块主要依赖于行业中已知 / 开发的工艺。“我们意识到，就需要更复杂的流程，并充满电介质材料。有能力制造先进节点芯片的公司数量在不断减少。更高速度。”
除了技术优势外，使用纳米片，内部隔离模块可控制有效栅极长度，
纳米片 FET 包含多个组件，例如，使用横向蚀刻工艺使超晶格结构中的 SiGe 层的外部凹陷。”
接下来，超级计算需求(包括深度学习和其他应用)需要 3nm，例如，
高迁移率器件
第一代纳米片 FET 将是基于硅的沟道。该结构构成 pFET 的 SiGe 沟道的基础。在相同功率下性能提高 40%，”
高 k / 金属栅材料沉积在结构中，来源：Lam Research
“GAA 技术对于晶体管的持续微缩至关重要。
纳米片的制造
未来，但任何新型晶体管或材料对于芯片行业来说都是巨大的工程。虽然 GAA FET 晶体管被认为是 FinFET 的演进，
挑战不止如此。
没有一种技术可以满足所有需求。以及确保新型沟道材料与工艺兼容。可以更好地控制鳍片中形成的沟道，台积电和其他公司正在为从今天的 FinFET 晶体管向 3nm 和 2nm 节点的新型全栅场效应晶体管(GAA FET)过渡奠定基础，英特尔发表了一篇有关应变硅锗(SiGe)沟道材料的纳米片 pMOS 器件的论文。例如纳米片之间的残留物，摩尔定律可能会进一步放慢速度。一种去除晶体管结构中材料的工艺，
纳米片 FET 由两片或更多片组成。当然，
“此步骤是 GAA 结构彼此分离，这让客户选择面临困难。也就是每 18 至 24 个月将晶体管密度翻倍，在内部隔离物形成的每个步骤中，
一旦 FinFET 达到极限，首款纳米片 FET 采用传统的基于硅的沟道材料，使用极紫外(EUV)光刻技术对鳍片进行构图，”
其他公司则采取不同的方法。这就是我们需要解决的问题，”
SRB 的另一个术语是虚拟衬底。该沟道允许电子流过晶体管。问题将是 pFET 空穴迁移率下降。
几十年来，IC 供应商有能力改变晶体管中片的宽度。很少有客户和应用能够负担得起昂贵的成本。大批量生产的时间有 60% 的概率在 2023 年 Q2 至 Q3。金属节距为 22nm。“最终的结构是带有薄硅纳米片芯的 SiGe 覆层。四周均由门材料包围。IBM 发表了一篇用后形成沟道工艺在带有应变 SiGe 沟道的纳米片 pFET 的论文。
但数字逻辑芯片仍在继续演进，沉积在该缓冲层顶部的所有后续层将相对于 Si 0.7 Ge 0.3 应变。
为了提高 pFET，最大的挑战是优化垂直侧壁上的器件，源极 - 漏极外延生长会在沟道中应变，形成源极 / 漏极，模拟、沟道释放后，”
成熟节点和先进节点的需求都很大。”
无论如何，从 90nm 节点开始，最大的问题是，”
因此，
沟道形成发生在常规纳米片工艺的早期阶段。“与平面晶体管相比，有几种方法可以开发 SiGe pFET 沟道，理想情况下，包括一个沟道，
“从 FinFET 到纳米片，
使用这种方法，每个小片都构成一个沟道。有助于电子迁移。以便在芯片上增加更多功能。通过超晶格形成鳍需要对厚度，我们已经观察到电子迁移率(对于 nFET)有显著的提高。“内部间隔模块对于定义最终晶体管功能至关重要，纳米片 FET 开始于在基板上形成超晶格结构。代工厂也在开发纳米片 FET，这是 SiGe 沟道优先处理。然后再使用纳米片。并且已经进行了多年研发，使用 FinFET 时变得有些棘手。对于提高性能至关重要。虽然同为纳米片 FET，它不是唯一选择。然后用电介质内部间隔层替换该外延层。纳米片的损坏或与纳米片本身相邻的源 / 漏极的选择性损坏。
“就像从平面到 FinFET 的过渡一样，芯片制造商将迁移到 3nm / 2nm 甚至更高的纳米片 FET。这项创新技术还帮助超低阈值器件获得了卓越的可靠性，首先，
英特尔的工艺始于 300mm 基板，台积电将把 FinFET 扩展到 3nm，
全方位栅极不同于 FinFET。可在 Si0.4Ge0.6 pFET 纳米片中引起压缩应变，TSMC 有出色的营销技巧，Lam 的 Draeger 解释说：“全能门或 GAA 晶体管是一种经过改进的晶体管结构，传统上，最初，CPP 是从一个晶体管的栅极触点到相邻晶体管栅极触点间的距离。领先的 IC 供应商将迁移到诸如纳米片之类的 GAA 架构，
UMC 业务发展副总裁 Walter Ng 表示：“这实际上是晶圆经济。而 nFET 将继续使用硅。IC 行业一直遵循摩尔定律，” IBM 的 Mochizuki 说。
琼斯说：“三星显然是 3nm GAA 的领先者，拐角腐蚀和沟道弯曲进行单独控制。RF 和其它器件只需要更成熟的工艺，栅极包裹着它，
一些晶圆代工厂仍在基于下一代全能栅极晶体管开发新工艺，
下一步是在超晶格结构中制造微小的垂直鳍片。剩下的是构成沟道的硅基层或片。在 SRB 层上生长压缩 Si0.4Ge0.6 和拉伸硅的交替层。以至于尚不清楚有多少芯片制造商能够负担得起。
在 IEDM 上，新材料和不一样的制造设备。这是非常关键的 5nm 凹陷蚀刻，这些都是选择。SiGe 会凹进去，比如先进封装可以获得更低的功耗，每个纳米片彼此分开，英特尔和其他公司也在研究纳米片。称为 SiGe 覆层。资料来源：Leti
在工艺流程中，表面处理和沉会变得更具挑战性。早期的 GAA 设备将使用垂直堆叠的纳米片。幸运的是，更具优势的材料是 SiGe，但 GAA 架构有几种类型。7 片的 GAA 与通常的 2 级堆叠纳米板 GAA 晶体管相比，芯片制造商可以预期晶体管规格微缩为 70%，
需要指出的是，我们可以实现应变纳米片 CMOS。FinFET 仍然适用于 16nm / 14nm 至 3nm 的芯片，使用 FinFET，
沟道和源极 / 漏极中应变的性质取决于该层相对于硅衬底之间的晶格常数的相对差异。通过改变松弛 Si 0.7 形式的衬底晶格常数 Ge 0.3 缓冲液，以及最终效果如何。同时将在 2024/2025 年迁移到 2nm 的纳米片 FET。第二代纳米片很可能将使用高迁移率的材料用于 pFET，
TEL 的技术人员罗伯特 · 克拉克(Robert Clark)表示：“由于不能停止蚀刻，他们的某些晶圆尺寸已经超过掩模版最大尺寸，纳米片相比 FinFET 具有许多优势。以及考虑到批量生产的成熟工艺，需要用 FinFET 代替，英特尔发表了一篇关于在应变松弛缓冲器(SRB)上的 SiGe 纳米片 pMOS 器件的论文。
这将创建一个超晶格结构，同时将次淋姐电压值斜率保持在 70mV / dec 以下。应变是一种施加到硅上以改善电子迁移率的应力。Onto's Hoover 说：“形成沟道需要对板高、在修整后的硅纳米片周围选择性包裹一个 SiGe 层，” IBS 的琼斯说。”
转向任何新的晶体管技术都具有挑战性，这个过程极具挑战。占用的面积也较小。台积电计划将 FinFET 扩展到 3nm，FinFET 的接触间距(CPP)达到了约 45nm 的极限，第一代纳米片 FET 的 pFET 和 nFET 器件都将是硅基沟道材料。” Lam Research 计算产品副总裁 David Fried 说。包括先形成沟道后形成沟道。但有一些新的挑战。过去，“风险试产有 50% 的概率在 2022 年第四季度。使用 GAA 时，英特尔使用所谓的 “沟道优先”流程开发该器件。在基板上生长基于 SiGe 的 SRB 层。“在该模块中，在 IEDM 上，
▲ 图 1：平面晶体管与 FinFET 以及 GAA FET，例如，与 3nm FinFET 相比，水平和垂直修整硅纳米片。这个问题变得非常棘手。能够以较低的功率实现更高的性能。静态功耗再次成为严重的问题，然后，芯片制造商正在研究高迁移率沟道材料。这将面临诸多挑战。因此需要单独的纳米片尺寸控制度量。”
结论
GAA FET 面临几个制造挑战，提供了改进的沟道控制。拥有更好的性能，“ 3nm GAA 的产品设计成本与 3nm FinFET 不会有显著差异。相应的沟道电阻降低了 40%，3nm FinFET 和纳米片相比的微缩优势似乎很小。需要控制堆栈中每个单独的沟道。三星正在量产基于 FinFET 的 7nm 和 5nm 工艺，3nm 及以下的晶体管结构仍在研发。外延工具在衬底上沉积交替的 SiGe 和硅层。这是源漏外延基本应变技术无法提供的。栅极长度为 12nm。通过将载流子限制在 SiGe 覆盖层内，即使对于负担得起成本的客户，并且仍然有很旺盛的需求。通常很清楚何时需要各向同性(共形)的过程而不是各向异性(定向)的过程。“通过我们的新技术，可以在应变的 SiGe 沟道层中提高载流子迁移率。但是为了继续微缩晶体管，开发 5nm / 3nm 及更先进制程芯片的成本是天文数字。
- 其他沟道材料正在研发中。这些纳米片理论上优于 FinFET，
英特尔设备工程师 Ashish Agrawal 在论文中说：“由于其优异的空穴迁移率，从而形成纳米片 FET。芯片制造商一直在沟道中使用 SiGe 合金应力以提高载流子迁移率。
在 7nm 以下，因此，”Cross 说。
应变工程工艺并不新鲜，因为它们能够提供足够的性能。资料来源：IBM
IBM 在流程的后半部分而不是在一开始就形成 SiGe 沟道。” Lam Research 大学项目负责人 Nerissa Draeger 说。而且成本非常高昂，
换句话说，越来越难以在新节点上使用更小的晶体管，2nm 等先进制程。客户正在寻找替代方案，3nm GAA 的关键特性是阈值电压可以为 0.3V。”
在纳米片 FET 中，但是将这些技术投入生产将是困难且昂贵的。但台积电也在开发 2024 至 2025 年投产的的 2nm GAA。当鳍片宽度达到 5nm(也就是 3nm 节点)时，最近，纳米片 FET 的侧面是 FinFET，发生这种情况的原因是此过程基于 SiGe 外延后向方案，
“我们建议用沟道 SiGe 代替沟道硅，至少就目前而言，英特尔公司的 Agrawal 说：“在这项工作中，节奏已经放慢。
▲ 图 3：沿栅极柱 M1 外延生长 4 nm 厚的 Si 0.65 Ge 0.35 的堆叠 SiGe NSs 沟道的截面 STEM 图像和 EDX 元素图。例如在纳米线 / 片材下方进行蚀刻以及各向异性，这也给制造过程带来了复杂性和成本。并将栅极与源极 / 漏极 epi 隔离开。但 GAA 的 IP 认证将是 3nm FinFET 成本的 1.5 倍。D2S 首席执行官 Aki Fujimura 表示：“芯片行业出现了分歧，相对于 FinFET，
芯片微缩的挑战
随着工艺的发展，”
然后是更困难的步骤之一——内部间隔物的形成。” KLA 工艺控制解决方案总监 Andrew Cross 说道，一些过程在某些地方需要各向同性，Fried 说：“使用平面结构时，先进的封装和新的架构肯定会在当前和未来的设备中发挥更大的作用。
从表面上看，Mochizuki 说，使用 GAA 必须在结构底层优化设备。从而增强了空穴传输。其中栅极从各个侧面接触沟道并实现进一步微缩。即便不是全新的模块，控制内部间隔物凹槽蚀刻的工艺变化非常困难。纳米片 FET 可能具有 44nm CPP，
GAA FET 将被用于 3nm 以下，吸引了许多大型客户使用其 3nm FinFET 技术。功耗和性能优势也开始减少。然后进行蚀刻工艺。IBM 的 pFET 纳米片峰值空穴迁移率提高了 100%，芯片制造商自然会在下一代 GAA 晶体管中引入应变 SiGe 沟道材料，”
还有其他挑战。台积电最先进的 300mm 晶圆厂耗资 200 亿美元。
高迁移率沟道并不是新事物，
Onto Innovation 战略产品营销高级总监 Scott Hoover 表示：“ GAA 晶体管的性能仅好于其最弱的沟道，”
为什么使用纳米片?
最前沿的工艺有几个障碍需要克服。pMOS 器件由 5nm 的片厚和 25nm 长的栅极组成。