FinFET 與 GAA 電晶體的差異：結構、控制性、製造比較

在 FinFET 中，閘極從三個方向包覆直立的矽鰭片。在環繞式閘極（GAA）中，閘極圍繞通道的整個外圍，多數是將水平的奈米片堆疊成多層的形式。通道被包覆得更完整，即使閘極較短也更容易抑制漏電流。因此，先進的半導體製造商在 3 nm、2 nm 世代已從 FinFET 轉向 GAA。

項目FinFETGAA（奈米片）
閘極的結構閘極覆蓋直立鰭片的 3 個面閘極圍繞通道的全部 4 個面
通道的形狀細而直立的矽鰭片將水平的奈米片（或奈米線）垂直堆疊
靜電控制良好。遠優於平面型更優越。可減少漏電，適合較短的閘極與較低的電源電壓
通道寬度的調整階段式。因為鰭片高度固定，寬度由鰭片的數量決定靈活。可針對每個電晶體選擇奈米片的寬度與層數
主要製程鰭片圖案化（多使用 SADP 或 SAQP）、鰭片間的隔離、閘極形成交替磊晶成長 Si 與 SiGe，選擇性移除僅 SiGe 以使奈米片懸空，並形成內間隔層
製程的複雜度成熟，已被充分了解新增許多製程，控制也更為嚴格
自發熱會成為問題。熱不易從細通道散出同樣會成為問題。因為奈米片被絕緣膜所包圍
量產開始Intel 的 22 nm（Tri-Gate），2012 年開始出貨3 nm 世代於 2022 年前後開始量產。其他大廠隨後跟進
各公司的稱呼Tri-Gate（Intel）、FinFET（TSMC、Samsung 等）RibbonFET（Intel）、MBCFET（Samsung）、奈米片（TSMC）

數值為具代表性的大致參考值，會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

FinFET
是支撐 22 nm 到 5 nm 世代左右邏輯晶片的主力，在 3 nm 也被廣泛使用。製程成熟，設計規則已被充分了解，良率也高。
GAA
適合在最先進的節點，FinFET 已難以抑制漏電的領域。想針對每個電晶體調整寬度時也有優勢。
未來
將 nMOS 與 pMOS 垂直堆疊的堆疊式互補式 FET（CFET）仍在持續研究中。

常見問題

為什麼 GAA 比 FinFET 更優越？

在環繞式閘極電晶體中，閘極圍繞通道的整個外圍，因此比閘極只覆蓋 3 個面的 FinFET，即使閘極長度非常短，也更容易抑制漏電流。還有能針對每個電晶體調整通道寬度的優點。

GAA 電晶體與奈米片電晶體相同嗎？

奈米片是 GAA 最常見的形式，將水平的奈米片堆疊起來，再以閘極包覆。奈米線也是 GAA 的一種。Intel 將自家的方式稱為 RibbonFET，Samsung 則稱為 MBCFET。

從 FinFET 轉向 GAA 是在什麼時候？

FinFET 於 2012 年在 Intel 的 22 nm 開始量產。GAA 於 2022 年前後在 3 nm 世代開始量產，其他大型製造商隨後跟進。

GAA 之後是什麼？

將 nMOS 與 pMOS 垂直堆疊以節省面積的互補式 FET（CFET）正在進行研究。

理解度檢測

下列關於 FinFET 結構特徵的敘述，何者正確？

  1. A通道立成鰭片（Fin）狀，閘極從三個方向包覆
  2. B只以平面閘極覆蓋通道的上表面
  3. C不使用閘極絕緣膜，讓金屬直接接觸通道
查看答案與解析

正確答案：A. 通道立成鰭片（Fin）狀，閘極從三個方向包覆

FinFET 是將矽立成寬數 nm 至十幾 nm、高數十 nm 的鰭片（Fin）狀，並以閘極包覆其兩側面與上表面的立體結構電晶體。由於閘極從三個方向控制通道，比平面型更容易抑制短通道效應，並減少關閉時的漏電。此外，因為可在高度方向確保電流路徑，所以能以較小的面積獲得較大的電流。自 22 nm 世代起成為先進邏輯的標準。

下列關於 GAA（環繞式閘極，Gate-All-Around）型電晶體的說明，何者正確？

  1. A閘極只覆蓋通道的上表面
  2. B閘極包覆奈米片等通道的整個外圍
  3. C沒有閘極，只靠源極與汲極運作
查看答案與解析

正確答案：B. 閘極包覆奈米片等通道的整個外圍

GAA 型是將數片厚度數 nm 的薄片狀（奈米片）或細線狀通道堆疊起來，並以閘極包覆其整個外圍的結構。由於從四個方向控制，閘極的控制力比 FinFET 更強，即使閘極長度更短也能抑制短通道效應。Samsung 於 3 nm 世代（2022 年）、TSMC 於 2 nm 世代、Intel 於 18A 世代採用，成為繼 FinFET 之後的標準結構。

在 FinFET 中，調整電晶體有效通道寬度的方法，下列何者正確？

  1. A以改變鰭片的數量來調整，因此通道寬度為離散的值
  2. B以閘極電壓的大小來調整
  3. C與平面型相同，可設定為任意連續的值
查看答案與解析

正確答案：A. 以改變鰭片的數量來調整，因此通道寬度為離散的值

在 FinFET 中，鰭片的高度與寬度由製程決定且為定值，因此通道寬度靠鰭片的數量調整，成為「幾根鰭片」這種離散的值（寬度量子化）。因此，在類比電路中製作細微的電流比，或細部調整 SRAM 單元中各電晶體的強度比都變得困難，成為設計上的限制。奈米片型 GAA 可以緩解這項限制。

  1. 與 FinFET 相比，奈米片型 GAA 電晶體在設計上的優點，下列何者正確？
  2. 在奈米片型 GAA 電晶體的製造中，從 Si 與 SiGe 交替堆疊的層中選擇性移除僅 SiGe 層的原因，下列何者正確？
  3. 首次將 FinFET（Intel 稱之為 Tri-Gate）用於量產邏輯產品的企業與世代之組合，下列何者正確？

前往先進電晶體（FinFET與GAA）的練習題

相關名詞的解說

FinFET(鰭式場效電晶體)
通道呈鰭片(Fin)狀豎立，閘極從三個方向包覆通道的立體結構電晶體。容易抑制短通道效應。
GAA(環繞式閘極)
閘極從所有方向包覆通道周圍的電晶體結構。電流控制性比FinFET高，用於FinFET的下一個世代。
奈米片
將薄板狀的矽通道垂直堆疊多片，並以閘極包覆每一片的GAA電晶體結構。可由奈米片的寬度調整電流。

相關的比較