台积电FinFET和三星GAA孰更胜一筹？

台积电和三星是半导体领域的两大“霸主”，他们在整个半导体行业都有着举足轻重的分量，甚至每一次的技术革新，都会牵动着业内的发展方向。而随着摩尔定律进入3nm工艺节点之后，两家公司却选择了不同的3nm工艺架构，其中台积电选择在3nm中继续沿用FinFET架构。

“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管的数目，约每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”，这就是著名的摩尔定律。如果要增加集成电路上晶体管的数目，最有效的方法就是减小晶体管的尺寸，我们就拿常见的MOS晶体管来举例。

半导体产业面对的挑战是虽然在锗和Ill-V化合物半导体上形成的MOS晶体管具有高驱动电流，但是这些MOS晶体管的泄露电流也高。当漏电达到一定程度的时候，就相当于晶体管一直处于开启状态，这些漏电流会全部转换成发热量，因此漏电变大会直接导致 CPU 发热量上升。而这部分的问题主要是由于锗和III-V化合物半导体的低带隙和高介电常数而造成的。

图1半导体材料的带隙和介电常数比较示意图

图1表示了一些半导体材料的带隙和介电常数的比较。可以看到锗和一些常用的III-V化合物半导体的带隙很小。因此，各MOS晶体管在它们的栅和源/漏区之间将产生带-带泄露电流。这些材料的高介电常数进一步恶化了泄露电流。进而就导致这些MOS晶体管的开关电流比(Ion/Ioff)也相对较低。

为此，台积电早在2009年就申请了一项名为“具有改进的开关电流比的高迁移率多面栅晶体管”的发明专利（申请号：200910210197.0），申请人为台湾积体电路制造股份有限公司。该发明提出了一种新型的鳍式场效应晶体管（FinFET）架构。

图2 一种FinFET架构的透视图

图2显示了形成在基体材料10上的FinFET 100的透视图，基体材料10可以由电介材料或半导体材料（比如二氧化硅、锗、砷化镓等）形成。FinFET 100主要包括源区4、漏区6以及其间的鰭20。图中的12是指的栅电介质12，它可以形成在鳍20的顶端和相对侧壁上，而栅电极8是形成在栅电介质12上的。

图3A 双栅FinFET剖面图            图3B 3A实例的能带图

剖面图3A为通过穿过图2中的线A-A'的垂直面而做出，其中鰭20包括由第一半导体材料形成的中心鰭22以及半导体层24。而栅电介质12可以由常用的电介质材料，如二氧化硅、氮化硅、氮氧化物及其多层，以及它们的组合而形成。栅电极8可以由掺杂多晶硅、金属、金属氮化物、金属硅化物等等形成。

图3B示出了图3A所示的双栅FinFET的能带示意图。中心鳍具有带隙EgA，同时半导体层24具有大于带隙EgA的带隙EgB。参考图3A，在中心鳍22的带隙EgA低于半导体层24的带隙Egg时，鳍20（包括中心鳍22和半导体层24）形成量子阱。当非零栅电压施加到栅电极8上时，由于量子限制效应，电子趋于流经鳍20的中心部分，也就是中心鳍22。因此，载流子迁移率由于低的带隙EgA而很高，从而各FinFET 100的开电流Ion很高。

另一方面，当FinFET 100被关闭时，栅电压为零伏，电子趋于流经鳍20的表面层，也就是半导体层24。因此，载流子迁移率由于高的带隙EgB面很低，从而各FinFET 100的关电流（泄露电流）Ioff很低，这样就使得FinFET 100具有高的开关电流比。而且为了改善FinFET 100的性能，量子阱需要增强。所以，中心半导体鳍20的厚度Tl一般都会比较小。

台积电的此项发明能够为MOS晶体管性能带来改善，其包括驱动电流的改善，泄露电流的减小，以及高的开关电流比等等。相较之下，三星采用了GAA的工艺架构，使得两者再次走上了不一样的道路，不过随着后续产品的落地，台积电和三星势必要殊“死”一搏，一争高下！