环绕栅极场效应晶体管（Gate-All-Around FET，GAAFET）是一种半导体三维晶体管，被认为是鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistors，FinFET）的进化版本。GAAFET与FinFET的比较标志着多栅晶体管的进步，将导电通道从垂直鳍片转移到纳米片。

 

FinFETFinFETs 是英特尔于 2011 年推出的首款三维晶体管，它是对传统平面晶体管（MOSFET）的一种改进。在 28 纳米工艺节点以下，平面 MOSFET 就开始出现诸如电流泄漏、散热问题和短沟道效应等难题。而 FinFET 则通过在栅极上添加一个垂直的“鳍片”来解决了这些问题。

 

随着摩尔定律的推动，芯片尺寸不断缩小，因此需要在相同面积内容纳更多的晶体管。在一定规模下，鳍式场效应晶体管（FinFET）开始出现与十年前的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）所遇到的类似问题。当鳍片彼此靠得太近时，相邻鳍片之间出现泄漏电流的风险会增加。这会增加功耗，并且在晶体管处于关闭状态时难以控制它，从而导致更高的功耗和更低的能源效率。

 

此外，为了容纳更多的晶体管，鳍片的宽度会减小，这会导致栅极控制泄漏的效果降低，这种现象被称为“栅极泄漏”。栅极电极在三个面都包裹着鳍片结构，但在底部面，通道暴露在硅衬底上，这可能会导致泄漏电流。更薄的鳍片还会导致电阻增大，这使得难以保持适当的静电控制。GAAFET 的目标是通过将散热片从垂直结构改为纳米片结构来解决这些问题。

 

GAAFETGAAFET通过从垂直鳍片切换到纳米片来解决这些问题。

 

在 5 纳米工艺节点以下，栅极增强型自对准场效应晶体管（GAAFET）将取代鳍式场效应晶体管（FinFET），用“纳米片”取代垂直鳍片。在 GAAFET 中，源极和漏极不再属于鳍片的一部分，而是通过水平堆叠的纳米片来实现。而在鳍式场效应晶体管中，导电通道有三个接触面，而在栅极增强型自对准场效应晶体管中，晶体管的栅极完全包裹着每个纳米片的四个面，因此被称为“全方位栅极”。每个纳米片的底面完全被栅极包裹，不再与衬底接触。这使得晶体管的静电控制更加良好，并将允许半导体图案进一步缩小。预计在本十年末之前，全方位栅极晶体管将用于最先进的半导体器件。然而，GAAFET 技术也有其自身的挑战，主要是制造复杂度更高和成本更高。这就是为什么 GAAFET 只会被用于移动设备或高性能计算（HPC）应用中的尖端芯片的原因之一。

 

在 GAAFET（全栅极环绕型）中，蚀刻工艺相较于 FinFET（鳍式场效应晶体管）而言会变得更加复杂。在全栅极环绕结构中，可能需要进行多次蚀刻步骤来实现所需的栅极形状和尺寸。一旦栅极形成，后续的蚀刻步骤可能需要用于微调晶体管形状或去除牺牲性材料，同时又不能损坏其他集成电路层。

 

沉积过程也更加精确，并且需要更先进的设备。在较老的晶体管结构中，化学气相沉积是一种非常常用的沉积方法，而 GAAFET 则需要原子层沉积（ALD）。ALD 更加精确，因为它分步骤添加化学反应物，形成单原子厚度的沉积膜，从而产生更平滑的表面，且微凸点出现的概率更低。

 

来源：十二芯座

关键词： 环绕栅极场效应晶体管 鳍式场效应晶体管