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用於先進節點GAA製程架構的PVT監控IP
晶載(on-chip)感測技術正朝數位化技術發展
隨著製程技術不斷推陳出新，設計工具和支援它們的IP也必須跟著演進。產業演變過程中的一個實例就是PVT監控IP的發展。嵌入在晶片內的製程、電壓和溫度(PVT)監控器在晶片生命週期的每個階段(包括執行現場任務時)提供晶片狀態的回饋。從這些監控器收集的數據有許多好處，例如早期預測晶片故障的發生以及追蹤部署於全球各地的整批晶片之趨勢。
本文針對快速發展的半導體技術，以及近期關於環繞式閘極(GAA)電晶體的演變進行深入的探討。這些創新裝置可望徹底改變晶片設計，並解決先前晶片設計上的限制。摩爾定律一直是迄今為止最準確的預測模型，而現在則正進入埃(Å)級時代，半導體生態系統也將跟著演進以支援先進節點製程中的設計和製造。
從鰭式場效電晶體(finFETs)到環繞式閘極(GAA)
鰭式場效電晶體在22奈米製程節點初次亮相，象徵著傳統平面電晶體的重大轉變。鰭狀結構有三側被閘極包圍，提供了優越的通道控制。然而，隨著製程技術向5奈米和3奈米節點邁進，鰭式場效電晶體面臨著驅動電流、靜電控制和漏電等方面的挑戰。
進到環繞式閘極(GAA)電晶體應用，這些創新的結構讓閘極可以從所有方向包圍通道，實現晶片持續縮放的目標。以下是GAA電晶體的兩個關鍵面向：
- 奈米片(Nanosheets)：早期的GAA裝置是採取垂直堆放的奈米片，而這些奈米片由分開的水平層組成，每層都被閘極材料包圍；與需要多個並排鰭片以提高電流的鰭式場效電晶體不同，GAA電晶體藉由少數奈米片的直接推疊來達到增加電流承載能力。這種在尺寸上的靈活性使得電晶體能夠滿足特定的性能要求。
- 通道控制(Channel control)：相較於鰭式場效電晶體，GAA電晶體提供更好的通道控制。透過將閘極包圍通道，可減少短通道效應和因為裝置未接觸底部所造成的漏電。隨著晶片尺寸微縮，奈米片的尺寸將不斷演變，最終會類似於奈米線。
圖 1：FinFET 與 GAA 架構 (來源: Applied Materials)
優勢與挑戰
GAA電晶體的優勢是這項技術已在先進製程節點提出令人信服的案例。為能順利轉型，傳統的電路設計流程也必須隨之演變。由於GAA電晶體非常適合數位電路設計，這對數位設計工程師來說是一大福音。透過改善的通道控制和可擴展性，實現高效能邏輯閘和記憶體單元。採用GAA將提升數位電路效能並降低功耗。
對於類比設計工程師而言，GAA電晶體的優勢就不那麼明顯。儘管GAA電晶體主要是針對數位應用，它們也可以在類比設計中被採用；然而想要達到跟數位電路相同的精密度可能會面臨挑戰。類比設計工程師需要探索新技術來運用GAA電晶體的優勢。譬如說，雙極性電晶體(BJT)這類的雙極性裝置可能會變得不普遍，而這些裝置目前主要用於混合信號應用中。
設計的變化是不可避免的，但為了達成目標後的好處，這些變化是值得的。工程師們必須意識到，要成功採用GAA也需要對製程過程進行修改。雖然奈米片的概念很直觀，但它們的製造過程會衍生出一些新的製程挑戰。這些挑戰包括精確的結構設計以及使用新材料來達成所需的功率、性能、面積和成本(PPAC)等目標。
調整PVT監控IP以支援GAA
為能保持領先並因應GAA電晶體的出現，必須得重新思考PVT監控IP的設計。目前缺乏對雙極性接面型電晶體(BJT)和厚氧化層FET的特色描繪，因而驅動這些適應改變，並導致感測技術朝向數位技術轉變；簡言之，若不隨著演進並發展，就會很快的成為互不相關的平行線。
數位技術的額外好處不僅在於更小的面積或footprint，而且有助於消弭對於保護感測訊號受類比訊號中的雜訊/串擾影響的需求，因而隨之不再需要類比線路屏蔽(analog wire shielding)。
系統單晶片(SoC)和IP供應商需要找到創新的方法來維持像類比設計一般的準確度，而能否找到創新方法也將成為區別勝負的所在。
轉向數位感測將對產業大有好處，不僅能降低功耗和提高轉換速率，還能使PVT監控IP的實行變得更容易，允許更多遠端感測器同時被放在更靠近預定的感測點的位置。以溫度感測器為例，將感測點放置在更靠近熱點的位置，可以將溫度梯度的影響降到最低；此外，使用多個感測點還可以通過三角測量來進一步提高準確度。從各方面來說，這都是一個雙贏的局面。
結論
GAA電晶體的革命正在進行中，它可以克服finFET的限制並推動摩爾定律的發展。大多數業界觀察家相信，所有晶片、IP和SoC開發者以及晶圓代工廠都不可避免的要依循著這條道路前進。晶片製造過程和設備將因應需要而進化，特別是隨著業界採用真正的3D裝置。所有晶片設計工程師都應為迎接半導體技術的新時代做好準備。欲瞭解更多資訊，請至新思科技官網 Synopsys SLM PVT Monitor IP專頁查詢。