近日，美國加州大學聖巴巴拉分校曹偉博士，在 Nature 上發表了一篇關於電晶體技術的綜述，文章題為《電晶體的未來》（The future transistors）。
圖 | 曹偉（來源：曹偉）
曹偉是第一作者，加州大學聖巴巴拉分校卡斯塔夫·班尼吉（Kaustav Banerjee）教授是通訊作者。原始論文長達 30 頁，在 Nature 編輯部的建議下進行了大幅精簡，即便如此審稿人依然表示：「你們的論文幾乎值得寫一本書。」
圖 | 相關論文（來源：Nature）
文章中，曹偉指出對於通過為場效應電晶體（FET，Field Effect Transistor）縮放而建立分層框架藉此設計亞 10nm 柵極長度 FET 來說，目前所面臨的最主要的挑戰是，如果拋開成本只從技術角度出發，最主要的挑戰可被簡單概括為：如何在不犧牲性能的前提下，有效增強柵控以壓制 FET 縮放帶來的溝道漏電增加。
據介紹，當人類剛進入亞微米尺度開展研究時，矽基 FET 的持續縮放曾陷入停滯。原因是當時主流的傳統平面矽溝道和氧化矽柵介質已經達到物理極限，導致無法有效地控制漏電。
幸運的是，在各界的資金和智力投入下，高介電常數氧化鋯柵介質、三維鰭形柵等新技術的商業化大幅延續了矽基 FET 的壽命。
到了亞 10nm 柵長尺度，FET 將再次面臨主流技術走到物理極限的困境。氧化鋯柵介質厚度目前已經接近隧穿漏電區，無法對增強柵控有任何幫助。
所以，目前能採取的主要手段只能集中在優化柵結構，比如使用環形柵取代鰭形柵以及減薄溝道厚度等。亞 10nm 柵長尺度對溝道厚度的要求極其嚴苛，據仿真結果估算即使採用柵結構最優的環形柵，也必須把溝道厚度降低至 3nm 以內。
可惜的是，矽厚度的減薄會導致遷移率快速降低，從而讓性能大幅減低。目前為止，還看不到矽基 FET 能在亞 10nm 柵長尺度持續縮放的可能。
那麼，金氧半場效電晶體（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）技術目前還有哪些潛在創新機會？
曹偉表示：
其一，原子級厚度材料比如碳納米管和二維材料的開發。如上所述，原子級厚度材料在解決溝道漏電方面擁有天然優勢，但是後發的劣勢使其在其他方面跟主流矽技術還存在不小差距，比如晶圓級材料的質量、高介電常數柵介質金屬柵的兼容性、p 型器件的性能等。
其二，三維集成。平面縮放面臨著物理極限、功耗密度、製造成本等多重製約。三維集成把電晶體密度的增加拓展到三維空間，從而降低了晶片成本對器件本身縮放的依賴。如此，FET 在功耗、性能、成本等通常相互制約的因素里，擁有了更加寬鬆的優化空間。
其三，低功耗新型 FET。MOSFET 單能帶單載流子熱發射的工作原理，決定了其溝道漏電控制對於柵介質和器件結構的依賴非常高，導致縮放變得極為困難。而新型低功耗 FET 採用不同的工作原理，能夠大幅降低這種依賴，從而使得縮放更容易，器件的功耗和性能也比 MOSFET 更好。
那麼在 MOSFET 縮放過程中，柵級效率下降的原因是什麼？對此曹偉說道：「這可以用一個簡化的三端電容模型來解釋。柵、源、和漏極，在亞閾值區對溝道中央均形成了一個靜電耦合電容。很顯然，更大的埠耦合電容更能取得對於溝道電勢控制的主導權。」
在 MOSFET 的縮放過程中，源漏電極到溝道中央的距離在變小，導致源漏到溝道中央的電容在增大。然而，受制於柵介質隧穿漏電，柵介質厚度也就是柵電極到溝道的距離無法得到縮短，這導致柵極電容無法提升。這樣一來，柵極電容與器件埠總電容的比例在降低，對溝道電勢的控制力相應降低，即柵極效率會出現降低。
那麼，現代 MOSFET 縮放採用了哪些新技術，來解決柵極氧化物的大柵極泄漏的限制？
目前，主要手段就是採用高介電常數的柵介質材料，其中當前主流高介電常數柵介質是氧化鋯。在保證柵電容不變的前提下，柵介質物理厚度可以大幅增加，從而大幅降低隧穿機率及柵極漏電。
此外，鰭式場效電晶體（FinFETs，Fin field-effect transistors）和納米線電晶體（NW，nanowire transistor）以及納米片電晶體（NS FETs，nanosheet Fin field-effect transistors）的三維集成技術，它們的優點和缺點都體現在哪些方面？曹偉表示：「嚴格地講，這三者都不算三維集成技術，只是電晶體結構的三維化。」
FinFET 可以直接製備在體矽上，工藝最容易、散熱也最好。缺點是柵控不足以支撐 FET 持續的縮放；NW FET 在柵控上是三者中最好，但是製備工藝複雜，製造成本較高；NS FET 的柵控介於其他兩者之間，其多通道改型具備其他兩者不能比擬的性能擴展空間，故當前備受業界親睞，比如台積電已經採用該類技術。
而由於製造難度、成本以及功耗密度的限制，MOSFET 物理尺寸的縮小和設備集成密度的增加已經停止，那麼這會對未來的電子設備產生什麼影響？
曹偉表示，MOSFET 物理尺寸的縮小的確是在減緩，並且還沒完全停止。當前的溝道長度距離源漏直接隧穿的物理極限還有一段距離。即使未來 MOSFET 尺寸最終停止，曹偉認為摩爾定律也不會終結。
而且業界還有很多延續摩爾定律的手段，比如三維集成。性能、功耗、成本都會持續改進，所以他認為 MOSFET 尺寸縮小的停止不會對電子設備產生根本性影響。
參考資料：
1.Cao, W., Bu, H., Vinet, M.et al. The future transistors. Nature 620, 501–515 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06145-x