三星凭借新的MBCFET架构突破3nm扩展障碍

半导体行业的历史在很大程度上是摩尔定律定义的缩小节点大小的历史。这一趋势大致始于20世纪60年代，在随后的几十年里似乎一直很轻松地持续着，直到近年来该行业陷入困境。

在7纳米节点周围，缩放变得极其困难，因为量子效应和制造挑战等新的考虑因素限制了我们像以前那样轻松缩放的能力。

 

台积电节点规模的一个例子。图片由台积电提供

 

面对这一挑战，三星宣布成为第一个开始生产3纳米工艺的公司，这在业界引起了重大新闻。

在这篇文章中，我们将了解扩展方面的一些挑战，三星新的多桥沟道FET（MBCFET）技术，以及其最新工艺节点的消息。

 

缩小规模的历史

随着晶体管节点尺寸的缩放在2010年代初开始达到极限，该行业开始在MOSFET性能、控制和制造方面面临重大挑战。

具体地说，随着晶体管的缩小，随着沟道长度的减少，诸如短沟道效应和亚阈值泄漏之类的问题变得更大。

为了解决这个问题，工程师们不得不更换传统的平面MOSFET，英特尔在2011年推出了FinFET解决方案。FinFET允许MOSFET的有效沟道宽度显著增加，这最终有助于控制短沟道行为和器件的亚阈值泄漏。

 

平面（左）与FinFET（右）架构。图片由Lam Research提供

 

然而，随着规模的不断扩大，FinFET也需要不断发展。为了继续使用FinFET技术在缩小尺寸的同时实现性能增益，主要因素包括鳍宽度缩放以获得更好的栅极可控性，鳍间距缩放以减少电容，以及鳍高度增加以增加直流电。

 

MOSFET架构的演变。图片由Sun等人提供

 

如今，该行业已经发展到使用栅极环绕（GAA）MOSFET，它在栅极和沟道之间提供更大的电容耦合。如今，GAA FET通常基于纳米线，在纳米线中堆叠多个导线层以增加总沟道宽度。

尽管有这种解决方案，但该行业的大多数人都在努力解决鳍蚀刻、切割和倾斜等领域缺乏工艺余量的问题。这个问题一直是该行业在超越5纳米节点方面面临的最大挑战之一。

 

三星使用MBCFET达到3纳米

现在，三星已经突破了不断扩大规模的障碍，因为它最近宣布已经开始生产其3纳米工艺。根据三星的说法，使其达到这一点的关键技术是其最新的MOSFET架构MBCFET。

MBCFET可以被分类为GAA技术；然而，它偏离了使用纳米线的行业标准，而是使用比导线宽度更大的片状结构。通过使用纳米片代替纳米线，MBCFET可以提供几个关键优势，例如通过控制片宽度来连续调节通道宽度。

除此之外，MBCFET还可以提供一种结构变化，使设备的所有四个侧面都能充当通道。

 

MBCFET利用纳米片而不是纳米线。图片由三星提供

 

通过这些创新，三星声称其MBCFET可以提供更低的工作电压、更高的电流效率（即驱动电流能力）和更高的设计灵活性。这些进步最终形成了一项新技术，使三星能够开始在3纳米节点上成功制造。

据三星介绍，与5纳米工艺相比，其第一代3纳米工艺可将功耗降低45%，性能提高23%，面积减少16%。未来的目标包括第二代3nm节点，该节点将进一步将功耗降低50%，性能提高30%，面积减少35%。

 

进一步推动流程节点

多年来，该行业一直在激烈竞争，并为达到3纳米节点而苦苦挣扎。随着三星的产量达到3纳米，该公司标志着半导体行业的一个巨大里程碑，并为不断改进创造了希望。