FinFET到GAAFET的突破性转变

半导体技术资深专家 Ramalinga Reddy Kotapati 在最近的工作中探索了从 FinFET 到 Gate-All-Around (GAA) 架构的突破性转变。本文深入探讨了重塑先进节点物理设计和实现的创新策略，为业内专业人士和研究人员提供了宝贵的见解。他的工作强调了在克服现代半导体缩放挑战时对先进方法的迫切需求。

半导体架构的演变

半导体行业从平面晶体管发展到 FinFET 等多栅极架构，标志着技术的巨大飞跃。FinFET 器件提供卓越的静电控制、减少泄漏和改善载流子传输，为先进节点设计奠定了基础。然而，随着微缩接近 5nm 以下节点，FinFET 的固有局限性（包括量子效应和驱动电流降低）迫使人们采用更具可扩展性的解决方案：GAA 技术。

Gate-All-Around：革命性的飞跃

GAAFET 即环绕栅极场效应晶体管，其结构晶体管的本质，就是把 FinFET 的 Fin 旋转 90°，然后把多个 Fin 横向叠起来，这些 Fin 都穿过 gate。随着 GAAFET 晶体管的 gate（门）与 channel（沟道）的接触面积变大，而且对于 FinFET 而言，Fin 的宽度是个定值；但对 GAAFET 而言，sheet（薄片）本身的宽度与有效沟道宽度是灵活可变的。更宽的 sheet 自然能够达成更高的驱动电流和性能，更窄的 sheet 则占用更小的面积自然可以提供比 FinFET 更好的静电特性，满足某些栅极宽度的需求。

在同等尺寸结构下，GAAFET 的沟道控制能力强化，尺寸进一步微缩更有可能性，且新的结构所需的生产工艺应该与鳍式晶体管相似，可以继续使用现有的设备以及技术成果；栅极与通道之前的接触面积更大，新的结构带来的寄生电容和电阻问题应得到显著改善。

GAAFET 有两种结构，一种是使用纳米线（Nanowire）作为电子晶体管鳍片的常见 GAAFET；另一种则是以纳米片（Nanosheet）形式出现的较厚鳍片的多桥通道场效应管 MBCFET，这两种方式都可以实现 3nm 工艺节点，只是取决于制造商具体的设计。从 GAAFET 到 MBCFET，可以视为从二维到三维的跃进，能够改进电路控制，降低漏电率。

应对先进节点的设计挑战

随着半导体节点的缩小，设计复杂性呈指数级增长，需要新的方法和工具。向 GAA 的过渡需要从头开始重新构想物理设计流程。增强型标准单元架构现在包含垂直集成，优化了引脚可访问性、单元高度和轨道利用率。此外，布线策略必须平衡信号完整性、密度和性能，而极紫外 (EUV) 光刻的严格要求和新兴的制造限制进一步加剧了这一挑战。

电力输送网络创新

电力输送是先进半导体设计和制造工艺的基石。GAA 的集成推动了电网优化领域的前所未有的创新，确保在电流密度增加和金属横截面积减小的情况下仍能实现稳定高效的能源输送。增强的分析技术（包括动态 IR 压降模拟和电网建模）对于在日益复杂的设计和工作负载中保持电源完整性和稳定性至关重要。

利用先进的 EDA 工具

电子设计自动化 (EDA) 工具的兴起彻底改变了整个行业的物理设计流程和方法。机器学习驱动的布局和布线模型现在可以预测拥塞热点并优化单元布局，从而提高设计效率和运行时性能。多重模式感知工具可以精确管理制造复杂性，而先进的寄生参数提取技术可以提高互连设计的准确性，即使在最复杂的架构中也能实现稳健的性能。

优化功率、性能和面积

过渡到 GAA 节点为优化半导体设计中的功率、性能和面积 (PPA) 带来了新的机会。多电压域和动态功率门控等先进的电源管理技术大大降低了功耗。改进的互连设计和驱动电流能力增强了性能扩展，而新颖的布局技术则最大限度地提高了面积效率，从而可以在更小的占用空间内实现更高的逻辑密度。

平衡创新与制造挑战

虽然 GAA 在可扩展性方面具有显著优势，但它也带来了制造成本、复杂性和工艺挑战的增加。通过集成可制造性设计 (DFM) 工具和先进的验证方法，设计人员可以确保经济可行性和高产量生产周期。这些策略对于应对 3nm 以下节点技术的多方面挑战和确保先进半导体设计的未来至关重要。

随着半导体行业全面采用 GAA 技术，它为物理设计和制造实践的空前创新铺平了道路。Ramalinga Reddy Kotapati 的探索强调了成功所需的先进方法和实际约束之间的关键平衡。他的工作强调了整体方法在推动半导体技术发展和满足未来进步需求方面的重要性。