閒得無聊，説説什麼是 GAA_風聞

君士坦丁十二世-8小时前

2024-06-14

最近有個新聞是美國禁止向中國出口 GAA 技術。閒得無聊，科普一下什麼是 GAA，以及 GAA 為什麼重要。我並不是芯片工藝方面的專家，就用大家能聽得懂的大白話，儘可能通俗的講一講，不保證準確。

這要先從芯片製造的最基本單元場效應管説起。你可以想象任何的芯片都是由一堆電子開關和它們之間的連線組成的。這個電子開關就是場效應管（FET）。你可以把場效應管想象成一個開關：

這個開關的兩極一頭叫源極（Source），另一頭叫漏極（Drain）。源極和漏極都是在上圖示意為藍色的硅片（晶圓）上通過光刻“挖”出一個坑來，然後在坑裏填上紅色的其他化學元素形成的半導體。二者之間的部分就是柵極（Gate），柵極由覆蓋在晶圓上的一層氧化物（黃色）和它上面的金屬（灰色）部分組成。柵極相當於開關的扳手，通過控制柵極電壓，可以控制電流能否從源極流向漏極。這個場效應管的通斷就構成了 0 和 1。再複雜的電路都是由這樣一個個開關組成的。

所謂多少多少納米的製程，就是那兩個小坑之間的距離能隔多近。製程越高，納米數越小，兩個小坑就能隔得越近，同樣的面積下能放下的場效應管就越多，能實現的邏輯就越複雜。

但是問題來了，製程越高，兩個小坑之間的距離就會越近（柵極越窄），電子就越容易從中間“漏”過去，通俗的講，就是這個開關越不容易“關嚴實”，用這種不容易“關嚴實” 的開關製造的芯片，電路的可靠性就容易出問題。柵極窄還會帶來其他不好的影響，這裏就不説了。總的來説，這個開關的可靠性是和柵極的面積呈正相關的。柵極面積越大，開關的可靠性越強。隨着製程越來越高，柵極面積不可避免的縮小，做出一個可靠的開關越來越難了。當製程達到 25 納米左右的時候，已經幾乎不可能可靠的做出這樣的開關來，芯片工藝達到了一個瓶頸。

加州大學伯克利分校的胡正明教授發明了一個新的場效應管結構，突破了這一難題。這就是鰭式場效應管（FinFET）。

FinFET的想法説來也簡單：不是柵極不能太窄麼，那我把它“豎起來”吧：

上圖中豎起來的那個灰色的薄片是FinFET 的源極和漏極，“跨”在上面的紫色方塊是柵極。在原先的平面結構裏，柵極只有一面和源極/漏極接觸。在FinFET結構中，由於把源極和漏極“豎”起來，柵極有三個面和它們接觸，增加了接觸面積。這樣即使柵極很窄，它的總接觸面積仍然足夠大，從而保證了柵極能夠可靠的控制電流的方向。通過這個方法，英特爾在2012年正式推出了22納米FinFET技術的芯片。而三星和台積電是在幾年之後在16納米和14納米制程上使用了FinFET。此後一直到現在的5納米/4納米制程，所有的芯片製造商都是使用 FinFET 來造芯片的。

所以 FinFET 是一個芯片技術的根本改變，而不是簡單的改良。沒有FinFET技術，芯片製程就無法突破20納米左右的瓶頸，摩爾定律就無法延續。

但是，FinFET 的續命是有限的。當製程達到3納米/2納米左右的時候，FinFET 技術也很難保證柵極的可靠了。隨着製程的提高，源極/漏極的那個鰭片越來越薄越來越短，柵極的接觸面積也變得越來越小。要維持可靠的柵極面積，鰭片就必須變高。而鰭片變高以後力學性能就會變差，通俗的講就是變軟變脆了，所以鰭片不可能無限的高下去。到3納米左右的時候，即使是最高的鰭片也無法滿足柵極可靠性的要求，這就再次要求改變晶體管的結構，否則製程將再次無法延續。

於是 GAA 出現了。

GAA 不是個新技術。它是1990年左右一位比利時的科學家發明的。但是它的結構太複雜了，當時的工藝條件實現不了，也沒有必要，所以就一直停留在紙面上。當 FinFET 的潛力即將耗盡的時候，大家重新想起了 GAA。GAA 的想法和FinFET類似：既然鰭片式的柵極三面接觸面積還不夠，那索性把源極和漏極變成懸空的，讓它四面都能接觸柵極：

現在大家提出的GAA結構有兩種。左面的是把源極和漏極做成若干根小棍，用柵極去包圍這些小棍，這樣每一根小棍都有四個面接觸柵極，三根小棍加起來就有十二個面接觸，可以保證在柵極進一步變窄的情況下仍然有足夠的接觸面積。台積電和英特爾正在研究的是這種結構。右面是三星已經試產成功的結構，三星給它起了個名字叫MBCFET，是把源極和漏極做成若干薄片，同樣可以保證增加數倍的柵極接觸面積。

可以看出，GAA 的製造難度要比FinFET大得多，因為源極和漏極要“鏤空”出來。具體是怎麼做到的，我也不清楚。這也是為什麼GAA技術如此尖端和重要的原因。三星從3納米開始就引入了GAA 技術，而台積電要到2納米才使用。

GAA 是目前唯一有希望取代 FinFET 繼續延續半導體制程提升的技術，所以它也是一個根本性的技術，不是什麼工藝改良。沒有 GAA，2納米是做不出來的。

至於美國封鎖GAA技術會對中國造成什麼影響，我想我們還沒到需要擔心這個的那一步。中國的半導體技術還在7納米的門檻上，極紫外光（EUV）技術還沒攻克。GAA 要到3納米以下的時候才需要擔心。給中國的企業和科技人員一些時間和機會，一步一步的改進和成熟，GAA 應該也是能夠掌握的。畢竟這個技術的原理已經出現三十多年了，沒有什麼秘密可言。問題是在真正的光刻機上，通過工藝手段真的把它做出來。這個過程是不可能跨越式發展的，一定要7納米、5納米、3納米一代一代做過來，在成熟的前代工藝基礎上慢慢迭代出來。那種認為 “讓副研究員帶着幾個學生沒日沒夜幹幾天就能搞出 GAA 來升正研究員” 的想法，往好説是幼稚，往壞説是弱智。