FinFET到GAAFET的突破性轉變

半導體技術資深專家 Ramalinga Reddy Kotapati 在最近的工作中探索了從 FinFET 到 Gate-All-Around (GAA) 架構的突破性轉變。本文深入探討了重塑先進節點物理設計和實現的創新策略，為業內專業人士和研究人員提供了寶貴的見解。他的工作強調了在克服現代半導體縮放挑戰時對先進方法的迫切需求。

半導體架構的演變

半導體行業從平面晶體管發展到 FinFET 等多柵極架構，標志著技術的巨大飛躍。FinFET 器件提供卓越的靜電控制、減少泄漏和改善載流子傳輸，為先進節點設計奠定了基礎。然而，隨著微縮接近 5nm 以下節點，FinFET 的固有局限性（包括量子效應和驅動電流降低）迫使人們采用更具可擴展性的解決方案：GAA 技術。

Gate-All-Around：革命性的飛躍

GAAFET 即環繞柵極場效應晶體管，其結構晶體管的本質，就是把 FinFET 的 Fin 旋轉 90°，然后把多個 Fin 橫向疊起來，這些 Fin 都穿過 gate。隨著 GAAFET 晶體管的 gate（門）與 channel（溝道）的接觸面積變大，而且對于 FinFET 而言，Fin 的寬度是個定值；但對 GAAFET 而言，sheet（薄片）本身的寬度與有效溝道寬度是靈活可變的。更寬的 sheet 自然能夠達成更高的驅動電流和性能，更窄的 sheet 則占用更小的面積自然可以提供比 FinFET 更好的靜電特性，滿足某些柵極寬度的需求。

在同等尺寸結構下，GAAFET 的溝道控制能力強化，尺寸進一步微縮更有可能性，且新的結構所需的生產工藝應該與鰭式晶體管相似，可以繼續使用現有的設備以及技術成果；柵極與通道之前的接觸面積更大，新的結構帶來的寄生電容和電阻問題應得到顯著改善。

GAAFET 有兩種結構，一種是使用納米線（Nanowire）作為電子晶體管鰭片的常見 GAAFET；另一種則是以納米片（Nanosheet）形式出現的較厚鰭片的多橋通道場效應管 MBCFET，這兩種方式都可以實現 3nm 工藝節點，只是取決于制造商具體的設計。從 GAAFET 到 MBCFET，可以視為從二維到三維的躍進，能夠改進電路控制，降低漏電率。

應對先進節點的設計挑戰

隨著半導體節點的縮小，設計復雜性呈指數級增長，需要新的方法和工具。向 GAA 的過渡需要從頭開始重新構想物理設計流程。增強型標準單元架構現在包含垂直集成，優化了引腳可訪問性、單元高度和軌道利用率。此外，布線策略必須平衡信號完整性、密度和性能，而極紫外 (EUV) 光刻的嚴格要求和新興的制造限制進一步加劇了這一挑戰。

電力輸送網絡創新

電力輸送是先進半導體設計和制造工藝的基石。GAA 的集成推動了電網優化領域的前所未有的創新，確保在電流密度增加和金屬橫截面積減小的情況下仍能實現穩定高效的能源輸送。增強的分析技術（包括動態 IR 壓降模擬和電網建模）對于在日益復雜的設計和工作負載中保持電源完整性和穩定性至關重要。

利用先進的 EDA 工具

電子設計自動化 (EDA) 工具的興起徹底改變了整個行業的物理設計流程和方法。機器學習驅動的布局和布線模型現在可以預測擁塞熱點并優化單元布局，從而提高設計效率和運行時性能。多重模式感知工具可以精確管理制造復雜性，而先進的寄生參數提取技術可以提高互連設計的準確性，即使在最復雜的架構中也能實現穩健的性能。

優化功率、性能和面積

過渡到 GAA 節點為優化半導體設計中的功率、性能和面積 (PPA) 帶來了新的機會。多電壓域和動態功率門控等先進的電源管理技術大大降低了功耗。改進的互連設計和驅動電流能力增強了性能擴展，而新穎的布局技術則最大限度地提高了面積效率，從而可以在更小的占用空間內實現更高的邏輯密度。

平衡創新與制造挑戰

雖然 GAA 在可擴展性方面具有顯著優勢，但它也帶來了制造成本、復雜性和工藝挑戰的增加。通過集成可制造性設計 (DFM) 工具和先進的驗證方法，設計人員可以確保經濟可行性和高產量生產周期。這些策略對于應對 3nm 以下節點技術的多方面挑戰和確保先進半導體設計的未來至關重要。

隨著半導體行業全面采用 GAA 技術，它為物理設計和制造實踐的空前創新鋪平了道路。Ramalinga Reddy Kotapati 的探索強調了成功所需的先進方法和實際約束之間的關鍵平衡。他的工作強調了整體方法在推動半導體技術發展和滿足未來進步需求方面的重要性。