半導(dǎo)體技術(shù)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(gòu)的突破性轉(zhuǎn)變。本文深入探討了重塑先進(jìn)節(jié)點(diǎn)物理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新策略，為業(yè)內(nèi)專業(yè)人士和研究人員提供了寶貴的見(jiàn)解。他的工作強(qiáng)調(diào)了在克服現(xiàn)代半導(dǎo)體縮放挑戰(zhàn)時(shí)對(duì)先進(jìn)方法的迫切需求。

半導(dǎo)體架構(gòu)的演變

半導(dǎo)體行業(yè)從平面晶體管發(fā)展到 FinFET 等多柵極架構(gòu)，標(biāo)志著技術(shù)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(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然而，隨著微縮接近 5nm 以下節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)inFET 的固有局限性（包括量子效應(yīng)和驅(qū)動(dòng)電流降低）迫使人們采用更具可擴(kuò)展性的解決方案：GAA 技術(shù)。

Gate-All-Around：革命性的飛躍

GAAFET 即環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)晶體管的本質(zhì)，就是把 FinFET 的 Fin 旋轉(zhuǎn) 90°，然后把多個(gè) Fin 橫向疊起來(lái)，這些 Fin 都穿過(guò) gate。隨著 GAAFET 晶體管的 gate（門）與 channel（溝道）的接觸面積變大，而且對(duì)于 FinFET 而言，F(xiàn)in 的寬度是個(gè)定值；但對(duì) 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(dá)成更高的驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)下，GAAFET 的溝道控制能力強(qiáng)化，尺寸進(jìn)一步微縮更有可能性，且新的結(jié)構(gòu)所需的生產(chǎn)工藝應(yīng)該與鰭式晶體管相似，可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的設(shè)備以及技術(shù)成果；柵極與通道之前的接觸面積更大，新的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的寄生電容和電阻問(wèn)題應(yīng)得到顯著改善。

GAAFET 有兩種結(jié)構(gòu)，一種是使用納米線（Nanowire）作為電子晶體管鰭片的常見(jiàn) GAAFET；另一種則是以納米片（Nanosheet）形式出現(xiàn)的較厚鰭片的多橋通道場(chǎng)效應(yīng)管 MBCFET，這兩種方式都可以實(shí)現(xiàn) 3nm 工藝節(jié)點(diǎn)，只是取決于制造商具體的設(shè)計(jì)。從 GAAFET 到 MBCFET，可以視為從二維到三維的躍進(jìn)，能夠改進(jìn)電路控制，降低漏電率。

應(yīng)對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)的縮小，設(shè)計(jì)復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，需要新的方法和工具。向 GAA 的過(guò)渡需要從頭開(kāi)始重新構(gòu)想物理設(shè)計(jì)流程。增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)單元架構(gòu)現(xiàn)在包含垂直集成，優(yōu)化了引腳可訪問(wèn)性、單元高度和軌道利用率。此外，布線策略必須平衡信號(hào)完整性、密度和性能，而極紫外 (EUV) 光刻的嚴(yán)格要求和新興的制造限制進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。

電力輸送網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新

電力輸送是先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造工藝的基石。GAA 的集成推動(dòng)了電網(wǎng)優(yōu)化領(lǐng)域的前所未有的創(chuàng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的能源輸送。增強(qiáng)的分析技術(shù)（包括動(dòng)態(tài) IR 壓降模擬和電網(wǎng)建模）對(duì)于在日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工作負(fù)載中保持電源完整性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

利用先進(jìn)的 EDA 工具

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具的興起徹底改變了整個(gè)行業(yè)的物理設(shè)計(jì)流程和方法。機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的布局和布線模型現(xiàn)在可以預(yù)測(cè)擁塞熱點(diǎn)并優(yōu)化單元布局，從而提高設(shè)計(jì)效率和運(yùn)行時(shí)性能。多重模式感知工具可以精確管理制造復(fù)雜性，而先進(jìn)的寄生參數(shù)提取技術(shù)可以提高互連設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，即使在最復(fù)雜的架構(gòu)中也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的性能。

優(yōu)化功率、性能和面積

過(guò)渡到 GAA 節(jié)點(diǎn)為優(yōu)化半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的功率、性能和面積 (PPA) 帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。多電壓域和動(dòng)態(tài)功率門控等先進(jìn)的電源管理技術(shù)大大降低了功耗。改進(jìn)的互連設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電流能力增強(qiáng)了性能擴(kuò)展，而新穎的布局技術(shù)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(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的邏輯密度。

平衡創(chuàng)新與制造挑戰(zhàn)

雖然 GAA 在可擴(kuò)展性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但它也帶來(lái)了制造成本、復(fù)雜性和工藝挑戰(zhàn)的增加。通過(guò)集成可制造性設(shè)計(jì) (DFM) 工具和先進(jìn)的驗(yàn)證方法，設(shè)計(jì)人員可以確保經(jīng)濟(jì)可行性和高產(chǎn)量生產(chǎn)周期。這些策略對(duì)于應(yīng)對(duì) 3nm 以下節(jié)點(diǎn)技術(shù)的多方面挑戰(zhàn)和確保先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的未來(lái)至關(guān)重要。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)全面采用 GAA 技術(shù)，它為物理設(shè)計(jì)和制造實(shí)踐的空前創(chuàng)新鋪平了道路。Ramalinga Reddy Kotapati 的探索強(qiáng)調(diào)了成功所需的先進(jìn)方法和實(shí)際約束之間的關(guān)鍵平衡。他的工作強(qiáng)調(diào)了整體方法在推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展和滿足未來(lái)進(jìn)步需求方面的重要性。