 大家都在谈论FinFET——可以说，这是MOSFET自1960年商用化以来晶体管最大的变革。几乎每个人——除了仍然热心于全耗尽绝缘体硅薄膜 （FDSOI）的人，都认为20 nm节点以后，FinFET将成为SoC的未来。但是对于要使用这些SoC的系统开发人员而言，其未来会怎样呢？回答这一问题最好的方法应该是说清楚FinFET对于模拟和数字电路设计人员以及SoC设计人员究竟意味着什么。从这些信息中，我们可以推断出FinFET在系统级意味着什么。 FinFET有什么不同？ 关于FinFET及其结构 理论的讨论已经有很多了，这里我们不再重复这些讨论。从电路设计人员的角度看，我们更关心FinFET究竟与平面MOSFET有什么不同。关于这一问题，今年的设计自动化大会（DAC）技术讨论专题为模拟设计人员开辟了新思路。 “采用FinFET进行模拟设计”而不是调侃的说“上帝一定疯了”，这代表了四个专家的观点：代工线代表TSMC的Eric Soenen，Globalfoundries的Richard Trihy、工具专家Synopsys的Navraj Nandra，以及设计经理Freescale的Scott Herrin。讨论集中在新晶体管的电气特性上。 在赞成一方，Herrin指出，FinFET能够以很低的亚阈值泄漏电流实现高增益。 Nandra补充说，“FinFET固有增益很高，但是跨导（gm）实际上很低，和频率（ft）一样。更先进的几何布局比平面器件更容易实现匹配，能够很好的控制晶体管特性。结果是，您可以开发性能更好的电路。而且，还有其他的令人惊奇的地方。例如，输出电流较小，因此，您开发的数据转换器会更小。” 但是也有挑战。Nandra说，gm和gd较低，而栅极泄漏较大，栅极电容要比同样尺寸的平面器件大两倍。正如Soenen所指出的，大家都知道的一点是，FinFET栅极宽度是量化的：圆晶上的每一个晶体管都有相同的标称栅极宽度。因此，习惯于对每一晶体管采用w值的模拟设计人员只能并行采用一组同样的FinFET——实际上，w作为电路参数可以是连续变量，直至一组正整数。 布板问题 通过采用多个最小宽度晶体管来替代宽度可调晶体管，量化会改变布板习惯。Nanda说，例如，Synopsys有一款工具将栅极宽度比例转换为所需的翅片数。但是在另一讨论组的研讨中，Cadence硅片流程副总裁Anirudh Devgan提出了更严重的布板问题。 Devgan说：“采用更先进的几何布局后，多模式会更加复杂。随着复杂度的提高，很难预测设计规则错误。错误与环境相关。” 有些规则是熟悉的：例如，减小耦合的间隔规则，平板印刷的形状规则等。双模式增加了颜色规则，以保证最精细的模式能够分成两个独立的掩膜。还有相对较新的布板相关效应，Devgan指出了其中的六个——包括非常接近和多间隔等，这对晶体管行为有很大的影响。为说明问题的严重性，Devgan指出，在20 nm已经有5，000条布板规则需要进行检查。 对于模拟设计人员和数字单元库开发人员，这么复杂的结果是，几乎不可能开发DRC结构干净的布板。由于提取和DRC带来的布板问题，设计人员必须预测多次迭代。Devgan提醒说：“这需要几个星期的时间。40%的设计时间都花在收敛上。” 建模挑战 除了晶体管行为上的这些不同之外，电路设计人员在FinFET上还遇到了其他一些问题：仿真模型在结构上与平面MOSFET不同，会更复杂（图2）。Trihy提醒说，“如果您看一下模型，杂散电容的数量增加了十倍。还不清楚桌面驱动的仿真器能否处理FinFET。” 即使是如此复杂，也并不是所有模型在所有条件下都正确。因此，对于不熟悉平面晶体管的用户，模型选择会与电路相关，可能也会与布板相关。Herrin同意，“有不同点，您必须知道模型的局限性。” Nandra说，Synopsys一直结合使用SPICE和TCAD工艺模型，以及BSIM-4公共多栅极模型，以实现FinFET电路的精确仿真。他说，即使是在亚阈值区，BSIM-4也的确实现了精确的行为模型。但是，用在电路仿真时，模型会非常复杂。Nandra承认，“您必须采用结构相关的方法来解决杂散问题。” Trihy继续这一主题。他问到，“器件模型会停在哪里，从哪里开始提取电路？采用FinFET电路，边界是模糊的。您可以依靠设计规则来限制交互，但是，最后，最重要的可能不是模型的精度，而是提取的精度。”Devgan在他一次发言中，提醒说，在某些情况下，可能需要现场解决问题，对复杂的紧密封装的3D结构进行精确的提取，FinFET电路会有这种结构。 新方法，新电路 晶体管行为、布板规则和建模方法出现了很大的变化，因此，适用于28 nm平面工艺的电路拓扑不太可能用在14 nm FinFET工艺上。量化会带来一些挑战。低电压、受限的gm以及大栅极电容会导致其他变化，包括，限制扇出，处理压缩动态范围等。Soenen提醒说， “这不是电源技术，但我们计划提供1.8 V FinFET。”Herrin解释说，例如，在嵌入式应用中，电压限制意味着完全不同的ESD电路，采用新方法来支持高电压I/O。 Soenen和Nandra同意这些变化带来的影响。Soenen预测说：“您会在模拟电路中看到很多数字辅助内容。会看到开关电容滤波器，更多的使用过采样技术。” Nandra补充说，“我们看到了FinFET之前还没有的电路。” 芯片级 对于模拟电路和数字单元库设计人员，小尺寸FinFET既有优点又有缺点。优点是更小的电路，更高的工作频率，不用太担心工艺变化，当然还有更低的亚阈值泄漏。缺点是，设计会更困难，需要更多的迭代才能达到收敛。一般而言，无法重用前几代的设计。设计人员不得不建立新电路方法、拓扑和布板。新设计意味着更长的时间，更大的风险，速度、密度和功耗在晶体管级取得的进步可能因此而消失殆尽。 对于使用模块和单元库的芯片级设计人员，则完全不同。小尺寸FinFET仅在模块和单元中比较复杂。芯片设计人员通常注意到了更小更快的模块，这些模块的静态功耗会非常低。最后一点，与以前的产品相比，很多设计比较容易实现功耗管理。 但还是有问题。较低的工作电压使得信号和电源完整性分析更加重要。对于综合逻辑，较低的扇出使得时序收敛变得复杂。模块级更困难的收敛意味着在最终集成阶段要非常小心，不要打破任何东西。但这都是非常熟悉的问题，每一新工艺代都有这些问题。这当然不受欢迎。 延伸FinFET工艺 在2014年英特尔预计将推出基于14nm工艺的第二代FinFET技术。同样在今年，格罗方德，台积电和三星也分别有计划推出他们的14nm级的第一代FinFET技术。 intel公司也正分别开发10nm的FinFET技术，然而现在的问题是产业如何延伸FinFET工艺？对于FinFET技术，IMEC的工艺技术高级副总裁，An Steegen说，在10nm到7nm节点时栅极已经丧失沟道的控制能力。Steegen说，理想的方案是我们可以把一个单一的FinFET最大限度地降到宽度为5nm和栅极长度为10nm。 所以到7nm时，业界必须考虑一种新的技术选择。根据不同产品的路线图及行业高管的见解，主要方法是采用高迁移率或者III-V族的FinFET结构。应用材料公司蚀刻技术部的副总裁Bradley Howard说，从目前的态势，在7nm节点时III-V族沟道材料可能会插入。 在今天的硅基的FinFET结构中在7nm时电子迁移率会退化。由于锗（Ge）和III-V元素材料具有较高的电子传输能力，允许更快的开关速度。据专家说，第一个III-V族的FinFET结构可能由在pFET中的Ge组成。然后，下一代的III-V族的FinFET可能由锗构成pFET或者铟镓砷化物（InGaAs）组成NFET。 高迁移率的FinFET也面临一些挑战，包括需要具有集成不同的材料和结构的能力。为了帮助解决部分问题，行业正在开发一种硅鳍的替换工艺。这取决于你的目标，但是III-V族的FinFET将最有可能用来替代鳍的技术，Howard说。基本上，你做的是替代鳍。你要把硅鳍的周围用氧化物包围起来。这样基本上是把硅空出来用III-V族元素来替代。 什么是环栅结构 在7nm以下，FinFET的结构变得有点冒险Howard说。未来有潜力的器件中会采用环栅结构，使我们有可能在7nm以下节点时再延伸几代。 然后，到5nm时，产业可能延伸采用高迁移率的FinFET。另一种选择是建立一个量子阱的FinFET器件。但是在许多场合可能是下一代的III-V族的FinFET。Howard说在量子阱的FinFET中，组成器件的一个阱把载流子限制在内。从学术的角度来看量子阱是十分有趣的。 根据IBM的说法，由于在FinFET中鳍的宽度才5nm，沟道宽度的变化可能会导致不良的VT的变化和迁移率损失。一个有前途的选择，采用环栅的FET可以规避此问题。环栅FET是一种多栅的结构，其中栅极是放置在一个沟道的四周。基本上是一个硅纳米线被栅极包围 。这就是你的晶体管，它看起来不同，但实际上仍是有一个源，一个漏和一个栅极。 格罗方德的高级技术会员 An Chen说 采用环栅结构有一些优点和缺点，但是我认为很有前途。虽然栅极的四周有更好的静电场，但是也有一些制造工艺的问题。 环栅FET工艺制造困难，以及昂贵。它的复杂性有一例，IBM最近描述了一个用硅纳米线环栅的MOSFET，它实现了约30nm的纳米线间距和缩小的栅极间距为60nm。这个器件有一个有效的12.8nm纳米线。 在IBM的环栅极制造工艺中，两个landing pads（着陆垫）形成于基板。纳米线的形成和水平方向悬浮在着陆垫上。然后，图案化的垂直栅极在悬浮的纳米线上。这样的工艺使多个栅极构成在共同的悬浮区上。 根据IBM说，形成间隔后，然后在栅极的以外区域切断硅纳米线，再在间隔的边缘在原位进行掺杂的硅外延生长，在间隔边缘的硅纳米线其横截面就显出来。最后用传统的自对准镍基硅化物作接触和铜互连完成器件的制作。 环栅结构也有其他的作法。例如，新加坡国立大学，Soitec和法国LETI最近描述一个Ge的环栅纳米线pFET。宽度为3.5nm纳米线，该器件还与相变材料Ge2Sb2Te5（GST）集成一体，作为一个线性的stressor，从而提高它的迁移率。 与此同时，英特尔正在作不同的环栅结构。Intel的Mayberry说，直径约6nm，我们可以做得更小些。它是由许多不同的材料作成，采用原子层精密生长在一个3D空间中。所以相当困难进行量产。这是一个尚未解决的问题，我们正在研究。 当今，英特尔在FinFET制程上仍属于佼佼者，其他半导体厂商正尝试开发3D FinFET与英特尔抗衡。IBM同样在FinFET制程上表现突出，这也是英特尔的主要竞争对手。 IBM有可能在今年底宣布开始投入14nm制程，得益于三星全球工厂的FinFET技术。 IBM还会透露其高密度的存储器、可扩展的功率分配以及600平方厘米的SoC。但是现在不确定的是这些技术是否依赖于三星。 从另一个角度来说，这一波竞争会直接给英特尔和IBM的客户带来利益。英特尔正努力开发其最新的FinFET设计，而IBM的两大FinFET技术选择可能更容易吸引用户。 显然，英特尔与IBM最大的战略区别是：英特尔还是一贯性的使用传统块状硅来支持其努力FinFET设计，这也可以使其在2-4年内在竞争对手中保持领先。从2011年开始，英特尔已经在22nm Ivy Bridge技术和Haswell微架构处理器中使用FinFET制程。最近英特尔还宣布其成功移植FinFET技术到14nm Broadwell微架构，这是最新的Core M处理器系列的核心。。 然而，IBM使用更昂贵的SOI基板来进行开发，这样可以简化制造过程，而且可以实现芯片的低功耗性能。 有消息称，英特尔还将揭秘其加工“秘方”，包括参杂技术。 总结 最后，对于将使用基于FinFET的SoC系统设计人员而言，这有什么含义？通过我们在这里的分析，并考虑到Intel 20 nm三栅极SoC在业界的应用经验，得出了相同的结论。 设计链上每一个连续步骤——从晶体管到单元或者电路，从电路到功能模块，从模块到芯片，从芯片到系统，趋势是发挥FinFET的优势，克服挑战。芯片设计人员获得了更快、泄漏更低的库，不需要知道单元设计人员是怎样开发它们的。 相似的，系统设计人员会看到组件密度更大的芯片——取决于结构，金属或者聚乙烯间隔、接触间隔或者栅极长度等工艺减小了面积，这提高了性能，有效的降低了泄漏电流。可能还有一些二阶效应。例如，显著降低的内核电压会对电压稳压器提出新要求，要求降低噪声，有很好的瞬变响应。某些SoC可能不支持传统的高电压I/O。 总之，对于系统开发人员，FinFET革命却如所言：密度、速度和功耗都有巨大变化。还有更有趣的一点。对电路设计人员——特别是模拟设计人员提出要求，放弃熟悉的电路，FinFET在电路级带动了关键的各类创新。新电路将带动某些SoC在新的开放应用领域大放异彩。 |
