4nm芯片再现功耗问题，先进制程芯片如何破解漏电“魔咒” 近日

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近日，多款采用4nm制程芯片的手机，被用户吐槽存在发热量高和功耗高等方面的问题。据了解，此次涉嫌功耗过热的三款顶级手机芯片，分别是高通骁龙8Gen1、三星Exynos2200、联发科天玑9000 ，均为目前各厂商高端芯片的代表。同时，天玑9000的生产商为台积电， Exynos2200和骁龙8Gen1的生产商三星，为排名前两位的芯片代工制造商。
去年年初， 5nm芯片就因发热问题被频频吐槽，如今4nm芯片再度陷入同样的困境：先进工艺制程芯片存在漏电流问题，导致发热量过高，似乎已经成为一种“魔咒” ，是芯片制程工艺最大障碍之一。芯片的工艺制程仍在不断延伸，未来如何有效破解漏电“魔咒”已经成为整个芯片制造领域的努力方向。
短沟道效应带来的挑战
一般情况下，根据登纳徳缩放比例定律，随着芯片尺寸的缩小，所需的电压和电流也会下降，由于功耗会受电压和电流的影响，当制程工艺提升、电压和电流随之下降时，其芯片产生的功耗也会降低。台积电表示，与7nm工艺相比，同样性能下5nm工艺的功耗降低30% ，同样的功耗下则性能提升了15% 。
然而，随着芯片制程进入5nm ，却频频出现功耗过高的问题。北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超认为，短沟道效应是造成4nm、5nm等先进工艺出现功耗问题的主要原因之一，也成为了先进制程发展中最大的阻碍。
半导体制造中，集成电路的尺寸随着摩尔定律的发展而持续缩小，沟道长度也相应地缩短，这就导致了沟道管中的S和D（源和漏）的距离越来越短。因此栅极对沟道的控制能力变差，这就意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而出现严重的电流泄露（漏电）现象，最终让芯片的发热和耗电失控。
“5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET（鳍式场效应晶体管）结构。 FinFET结构在芯片制程进入28nm后，相比较于平面MOSFET器件结构，具有更强的栅极控制能力， FinFET结构可通过增加栅极与沟道的接触面积，来增强对导电沟道的控制。沟道接触面积的增长，可以从一定程度上缓解短沟道效应，从而将芯片制程继续延伸。然而，随着芯片制程逐渐延伸到5nm及5nm以下，采用FinFET结构先进制程的芯片，也出现了短沟道效益造成漏电现象。这也与FinFET本身的结构有关。 FinFET所采用的是三面栅的结构，并非四面环绕式的结构，其中一个方向没有栅极的包裹。随着芯片制程的不断减小， FinFET三面栅的结构对于漏电的控制能力也在逐渐减弱，造成芯片再次出现功耗问题。 ”赵超表示。
如何破解漏电“魔咒”？
未来芯片制程仍将继续向3nm甚至2nm延伸，人们也在积极考虑如何解决漏电流所导致的功耗与发热问题，包括更换新材料、采用新架构——GAA（环绕式栅极）结构等，以期打破长久以来存在的漏电“魔咒” 。
【4nm芯片再现功耗问题，先进制程芯片如何破解漏电“魔咒”】在材料方面，赵超介绍，采用具有高介电常数的栅介质材料替代原本的二氧化硅材料，可有效解决短沟道效应造成栅极漏电的问题。而二氧化铪属于高介电常数的材料，以二氧化铪来替代二氧化硅作为栅介质材料，可有效提高介电常数，减少漏电情况，并有效增加电容荷电的能力。
同时，随着芯片制程的延伸，采用四面环栅结构的GAA技术逐渐受到更多地关注。复旦大学微电子学院副院长周鹏表示，相较于三面围栅的FinFET结构， GAA技术的四面环栅结构可以更好地抑制漏电流的形成以及增大驱动电流，进而更有利于实现性能和功耗之间的有效平衡。因此， GAA技术在5nm之后更小的制程中，更受到业界的普遍认可和青睐。