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[编者按] 开创半导体历史：三星晶体管新技术的场景化

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by Yongjoo Jeon

Principal Professional, Marketing Team, Foundry Business, Samsung Electronics
文档、照片和视频；音频文件、电子表格和图形；在日常生活中，各种复杂形式的数字信息都存储在电脑和智能手机上，并在它们之间传输。而表达所有数字信息的基础其实非常简单，就是只有“0”和“1”这两个符号的二进制系统。 晶体管是一种半导体器件，用于将二进制系统中的数字信息转化为电信号。晶体管包含一个“通道”（半导体源极和漏极之间的电流在其中流动）和一个“栅极”（用于控制流过通道的电流）。栅极通过放大电信号生成二进制系统数据，并充当开关。因此，晶体管本质上是半导体芯片的基础元件。

所有形式的数字信息，无论是文档、照片还是视频，实际上都是由仅使用“0”和“1”这两个符号的二进制系统组成的。


要在面积狭小的硅基板上贴装更多的半导体芯片，自然需要缩小每个半导体芯片的尺寸。此外，要在每个半导体芯片中实现更多新的复杂功能，则必须缩小非常基本的元件晶体管，并且尽量减少其耗电量，以延长电池寿命，同时减少热量和电荷。电力消耗取决于工作电压，因此晶体管的发展就是不断降低工作电压。因此，半导体的历史就是制造体积更小、速度更快、耗电更少的晶体管的历史。
左起：平面晶体管、全耗尽鳍式 (Fin) 晶体管和全环绕栅极 (GAA) 晶体管
左起：平面晶体管、全耗尽鳍式 (Fin) 晶体管和全环绕栅极 (GAA) 晶体管

半导体的发展历史就是制造体积更小、速度更快、耗电更少的晶体管的历史。左起：平面晶体管、全耗尽鳍式 (Fin) 晶体管和全环绕栅极 (GAA) 晶体管


当前半导体行业广泛使用的晶体管是金属氧化物半导体 (MOS)。它由一个金属电极、又给氧化物绝缘体和一个半导体通道组成。最早的 MOS 晶体管采用平面架构，并且结构中的栅极和通道在同一平面接触。但随着晶体管变得越来越小，源极和漏极之间的距离变小，栅极难以用作开关。这被称为“短通道效应”，而且随着电压降幅越来越有限，平面晶体管只能用于 20 或以上的纳米节点（或代系）1。 为了克服短通道效应，下一代全耗尽晶体管应运而生。这种晶体管采用薄硅 (Si) 通道，通过增强栅极调节通道的能力避免产生短通道效应。它从传统的晶体管（平面通道上设置栅极）发展而来，采用薄而坚固的结构，具有一条直立的矩形通道，通道三边与栅极互锁。由于这条薄薄的直立通道很像鱼的背鳍，这种晶体管也称为“鳍式晶体管”。自 2012 年以来，三星一直在生产各种大小的鳍式晶体管，最小尺寸仅为 14 纳米。 平面晶体管仅允许通道和栅极在同一平面接触，而鳍式晶体管采用三维立体结构，其通道的三边（底部除外）均可与栅极接触。增加与栅极接触可以改善半导体性能，同时还能进一步降低工作电压，进而解决了短通道效应带来的问题。 尽管如此，经过几代的发展和制程变迁之后，鳍式晶体管如今已开始面临困局。如今的半导体行业不断需要能够进一步降低工作电压的晶体管。尽管鳍式晶体管采用三维立体结构，但是随着晶体管本身的不断发展并因此变得越来越小，四边之中只有三边与栅极接触的结构已逐渐成为一种局限。
半导体晶体管的演变
半导体晶体管的演变

半导体晶体管的演变


为了克服现有晶体管解决方案的局限，三星开发了新的全环绕栅极 (GAA) 结构。顾名思义，GAA 结构可以充分发挥栅极控制通道的功能，因为包括底部第四条通道在内的所有通道均已覆盖栅极。这些栅极实现了对整个通道区域的 360 度覆盖，因此能够消除短通道效应，进一步降低工作电压。 典型的 GAA 晶体管外形为细长的纳米线2。但通道需要尽可能留宽，才能容纳大量的电流通过，而纳米线的直径很小，很难容纳较大的电流。为克服这一难题，三星创造了独特的 MBCFET™（多桥-通道场效应晶体管）并申请了专利，这成为 GAA 晶体管的升级版本。MBCFET™ 将细丝式的通道结构排列成二维纳米片，从而增加与栅极接触的面积，最终简化了器件集成并加大了电流。三星 MBCFET™ 不仅借助 GAA 结构纳入了克服短通道效应的措施，还通过扩展通道面积提高了性能，是一种具有竞争优势的晶体管结构。 与现有 7 纳米鳍式晶体管制程技术相比，MBCFET™ 可将耗电量降低 50%，性能提高 30%，晶体管占用面积减少 45%。
纳米片和纳米线的比较图像
纳米片和纳米线的比较图像

GAA 晶体管的开发堪比半导体技术领域的工业革命，过程非常艰难，而三星正是当下为数不多有能力给出未来交付计划的企业。此外，三星成功创造了 MBCFET™，也展示了领先的半导体技术实力。它为打破半导体行业原本止步于 4 纳米节点的局面奠定了基础，同时为激发第四次工业革命提供了必要的核心技术。 凭借这一新的领先成果，三星通过协作式的方法和开创性的技术为行业的未来奠定了基础。 作为一名半导体工程师，我所在的行业正在进入一个由新技术推动的转型时期，能够亲身见证未来趋势，我感到无比振奋。 1纳米是半导体的测量单位，1 纳米等于十亿分之一米。 2截面直径为一纳米的超细线
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