Kajian Pemanasan Sendiri dan Ketahanan Radiasi SRAM GAA-FET 3nm: Kesan Mendalam terhadap Kebolehpercayaan Proses Termaju

Kajian Pemanasan Sendiri dan Ketahanan Sinaran SRAM GAA-FET 3nm: Kesan Mendalam Terhadap Kebolehpercayaan Proses Termaju

Apa yang Berlaku?

Pada Julai 2026, penyelidik dari San Jose State University (SJSU) dan Sandia National Laboratories bersama-sama menerbitkan satu kertas teknikal yang menilai secara sistematik prestasi SRAM berasaskan GAA-FET (transistor kesan medan gerbang mengelilingi) 3nm dari segi kesan pemanasan sendiri dan ketahanan sinaran. Kertas itu mencadangkan teknik penebat dielektrik bawah saluran (Channel-BDI, C-BDI) baru, yang dibandingkan dengan penebat dielektrik bawah tradisional (SD-BDI) dan lapisan henti tembus (PTS). Keputusan menunjukkan bahawa struktur C-BDI, sambil mengekalkan sambungan sumber/saliran ke substrat, meningkatkan ketahanan sinaran dengan ketara, dan semua struktur yang diuji adalah kebal sepenuhnya kepada gangguan bit tunggal (SEU) yang disebabkan oleh zarah alfa.

Mengapa Ini Penting?

GAA-FET ialah seni bina transistor generasi seterusnya selepas FinFET, dan telah digunakan oleh pengeluar terkemuka seperti Samsung, TSMC, dan Intel untuk proses 3nm dan ke bawah. SRAM sebagai unit teras cache dan storan atas cip, kebolehpercayaan dan ketahanan sinarannya secara langsung menentukan kestabilan dan jangka hayat pemproses dalam aplikasi kritikal seperti pusat data, aeroangkasa, dan ketenteraan. Kesan pemanasan sendiri (self-heating) telah mula mendapat perhatian pada era FinFET, dan GAA-FET, kerana struktur nanodawai/nanolembarnya yang mempunyai laluan pengaliran haba yang lebih sempit, masalah pemanasan sendiri adalah lebih teruk, yang boleh menyebabkan degradasi prestasi, pergeseran voltan ambang, malah kegagalan peranti. Selain itu, dengan permintaan yang semakin meningkat untuk kapasiti SRAM dalam pemecut AI dan cip pengkomputeran berprestasi tinggi (HPC), ralat lembut akibat sinaran (seperti gangguan bit tunggal) menjadi lebih sensitif dalam proses termaju kerana pengurangan kapasitans nod. Kajian ini bukan sahaja menyediakan rujukan simulasi TCAD yang penting untuk reka bentuk kebolehpercayaan SRAM GAA-FET, tetapi juga memberi kesan mendalam kepada keseluruhan rantaian industri semikonduktor.

Latar Belakang

#### Latar Belakang Perusahaan

• San Jose State University: Terletak di teras Silicon Valley, mempunyai pengalaman lama dalam fizik peranti semikonduktor dan simulasi TCAD, dan mengekalkan kerjasama rapat dengan industri (seperti Intel, Applied Materials).
• Sandia National Laboratories: Makmal kebangsaan di bawah Jabatan Tenaga Amerika Syarikat, telah lama menjalankan penyelidikan tentang ketahanan sinaran untuk sistem senjata nuklear dan peranti elektronik aeroangkasa, dan hasil penyelidikannya sering dimasukkan ke dalam spesifikasi reka bentuk cip pertahanan dan aeroangkasa AS.

#### Latar Belakang TeknikalGAA-FET dengan melilitkan get sepenuhnya di sekeliling saluran nanohelaian (nanosheet) atau nanodawai (nanowire) mencapai kawalan elektrostatik yang lebih baik dan arus bocor yang lebih rendah, menjadi pilihan utama untuk proses 3nm dan ke bawah. Walau bagaimanapun, disebabkan saluran dikelilingi oleh get dan lapisan dielektrik, laluan pelesapan haba adalah sangat terhad, menyebabkan kesan pemanasan sendiri bertambah teruk. Pada masa yang sama, sel SRAM sebagai salah satu struktur litar paling tumpat, pengecilan luasnya menjadikan hentaman satu zarah lebih mudah mencetuskan pelbagai bit flip (MCU).

• Kaedah antiradiasi tradisional termasuk menambah pengasingan dielektrik bawah (BDI) di antara substrat dengan punca/salir, tetapi BDI akan memotong laluan pelesapan haba dan memburukkan pemanasan sendiri. C-BDI yang dicadangkan dalam kertas ini meletakkan lapisan dielektrik di bawah saluran dan bukannya di bawah punca/salir, sambil mengekalkan laluan pengaliran haba dari punca/salir ke substrat, ia mencapai peningkatan kekerasan sinaran, menyediakan idea baru untuk mengimbangi pengurusan haba dan reka bentuk antiradiasi.Laluan teknikal yang terlibat:
• GAA-FET (nod 3nm): Kajian ini secara langsung menyasarkan SRAM GAA-FET 3nm, di mana ciri-ciri pemanasan sendiri dan kekerasan sinaran akan mempengaruhi kesesuaian nod ini dalam bidang seperti aeroangkasa, pertahanan, dan automotif.
• Pengasingan Dielektrik Bawah (BDI): Teknologi BDI pada asalnya diperkenalkan untuk mengurangkan arus bocor dan memperbaiki kesan saluran pendek, tetapi kajian ini menunjukkan ia meningkatkan daya tahan terhadap ralat lembut sinaran.
• C-BDI baru: Dengan mengalihkan lapisan pengasingan dari bawah sumber/saliran ke bawah saluran, ia memberikan perlindungan sinaran sambil mengekalkan laluan pengaliran haba, yang mungkin menjadi penyelesaian utama untuk reka bentuk SRAM GAA-FET tahan sinaran masa depan.
• Litar bit sel SRAM: Keratan rentas flip-flop sel tunggal 6T SRAM semakin meningkat dengan pengecilan proses, dan kajian ini mengesahkan bahawa struktur BDI kebal sepenuhnya terhadap SEU zarah alfa, yang penting untuk SRAM berkepercayaan tinggi yang direka dalam persekitaran neutron atmosfera.

• Halangan teknikal:
• Kesukaran integrasi proses C-BDI: Pemendapan lapisan dielektrik nipis tepat di bawah nanosaluran tanpa merosakkan kekisi saluran memerlukan keperluan tinggi untuk pemendapan lapisan atom (ALD) dan etsa selektif.
• Keseimbangan antara pemanasan sendiri dan kekerasan sinaran: SD-BDI tradisional mempunyai ketahanan sinaran yang baik tetapi meningkatkan rintangan haba; C-BDI memerlukan pengulangan dan pengoptimuman berbilang lelaran antara simulasi haba peranti dan simulasi sinaran, kini hanya berdasarkan TCAD dan masih memerlukan pengesahan melalui fabrikasi wafer.
• Pengukuran dan pengesanan: Perlu dibangunkan teknologi pengimejan terma skala nano untuk suhu setempat pada skala 3nm, serta keupayaan ujian sinaran ion berat/ proton untuk menilai kesan zarah tunggal.#### Bahagian Rantaian Bekalan yang Terjejas:

1. Pembekal Alat EDA dan TCAD : Seperti Synopsys, Cadence, Siemens EDA. Simulasi TCAD yang digunakan dalam kajian ini (kertas dari SJSU, mungkin berdasarkan Synopsys Sentaurus atau Silvaco) perlu mengemas kini model pemanasan sendiri dan sinaran untuk menyokong struktur C-BDI. Kilang dan syarikat IP perlu melakukan penentukuran secara serentak. 2. Pembekal Peralatan : - Peralatan Pemendapan : Peralatan ALD untuk lapisan dielektrik ultra-nipis (seperti SiN atau SiO₂) yang diperlukan oleh C-BDI, pembekal termasuk ASM International, Lam Research, Applied Materials. - Peralatan Etsa : Memerlukan etsa selektiviti tinggi untuk membuang lapisan korban di bawah kawasan punca/salur sambil mengekalkan dielektrik di bawah saluran. Lam, Tokyo Electron, AMEC (Peranti Mikro Semikonduktor) mungkin mendapat manfaat. 3. Pembekal Bahan : - Dielektrik Tinggi-k dan Logam Fungsi Kerja : HfO₂, TiN, dsb. untuk GAA-FET, pembekal termasuk Entegris, Merck, JSR. - Bahan Pengasingan : Pemilihan bahan dielektrik untuk C-BDI perlu mengambil kira kekonduksian terma dan pemalar dielektrik, mungkin timbul permintaan bahan baharu. 4. Kilang Wafer : - TSMC : Siri N3 3nm masih menggunakan FinFET, tetapi N2 2nm akan beralih kepada GAA-FET. Hasil kajian ini mungkin mendorong TSMC mempertimbangkan pilihan C-BDI dalam rancangan SRAM N2 mereka. - Samsung : Proses GAA-FET 3nm mereka sudah dalam pengeluaran besar-besaran. Jika mahu memasuki pasaran berketahanan tinggi, perlu menilai keperluan kekerasan sinaran. Pengenalan C-BDI akan meningkatkan kerumitan proses, tetapi mungkin membezakan perniagaan penempaan aeroangkasa/pertahanan mereka. - Intel : Kedua-dua 20A (2nm) dan 18A (1.8nm) menggunakan GAA-FET RibbonFET. Perkhidmatan Penempaan Intel (IFS) mungkin menggunakan teknologi ini untuk menarik pesanan kerajaan. 5. IP dan Perkhidmatan Reka Bentuk : Syarikat IP yang menyediakan pengkompil SRAM, pengkompil storan dan perpustakaan kalis radiasi (seperti ARM, Synopsys, SST) perlu mengemas kini IP SRAM GAA-FET mereka dengan menambah model pemanasan sendiri dan sinaran.

• Siapa yang mendapat manfaat?
• Vendor EDA yang mempunyai model TCAD sinaran dan pemanasan sendiri yang matang.
• Pembekal peralatan yang mampu menyediakan proses integrasi C-BDI.
• Kilang yang mengutamakan pengeluaran besar-besaran SRAM kalis radiasi GAA-FET (seperti Samsung Foundry mungkin mendapat pesanan pertahanan AS akibatnya).Siapa yang berdepan risiko?
• Pengeluar yang bergantung pada SRAM tahan radiasi FinFET tradisional (seperti GlobalFoundries, UMC) mungkin kehilangan bahagian pasaran aeroangkasa/pertahanan.
• Syarikat IP yang tidak mengemas kini model radiasi GAA-FET tepat pada masanya mungkin dikecualikan daripada senarai pembekal mewah.

#### Landskap Persaingan

• Bagaimana landskap persaingan berubah?
• Peringkat pengecoran: Samsung telah memulakan pengeluaran besar-besaran pada GAA-FET 3nm, tetapi prestasi keteguhan radiasinya belum diumumkan. TSMC dan Intel perlu membuktikan kebolehpercayaan radiasi SRAM GAA-FET mereka pada nod 2nm/1.8nm. Sesiapa yang mendapat pensijilan Sandia atau badan serupa terlebih dahulu akan mendominasi pasaran pengecoran proses termaju berkepercayaan tinggi.
• Peringkat EDA: Synopsys dan Cadence perlu menyepadukan keupayaan simulasi pemanasan sendiri dan radiasi secara mendalam ke dalam aliran reka bentuk mereka. Alat pengesahan cip Solido Ansys, yang boleh berinteraksi dengan TCAD, mungkin mengambil pendahuluan.
• Peringkat IDM: Syarikat reka bentuk cip seperti AMD dan NVIDIA yang bergantung pada pengecoran TSMC/Samsung menggunakan sejumlah besar SRAM dalam pemecut AI mereka (contohnya, cache L2 80MB NVIDIA H100). Isu pemanasan sendiri yang menyebabkan penurunan frekuensi prestasi atau jangka hayat yang lebih pendek akan memberi kesan langsung kepada daya saing produk. Jika pengecoran tidak dapat menyediakan SRAM GAA-FET yang boleh dipercayai, mereka mungkin bertaruh pada chiplet/pembungkusan termaju, menggantikan sebahagian SRAM monolitik dengan SRAM proses matang.

• Bagaimana bahagian pasaran mungkin berubah?
• Pasaran semikonduktor aeroangkasa dan pertahanan kini didominasi oleh proses matang (seperti 65nm, 45nm), tetapi trend beralih ke proses di bawah 7nm adalah jelas. Pengeluar yang menyediakan perkhidmatan pengecoran GAA-FET berkepercayaan tinggi (seperti kerjasama Samsung dengan Sandia) dijangka memperoleh bahagian yang ketara antara 2027-2029, dianggarkan meningkat daripada kira-kira 10% sekarang kepada 30%.
• Pengecoran tahan radiasi tradisional (seperti BAE Systems, Cobham) akan terpinggir jika mereka tidak dapat memperoleh keupayaan proses termaju.

• #### Implikasi Serantau- Amerika Syarikat: Perikatan antara Sandia National Laboratories dengan syarikat Amerika (seperti Intel, Micron) akan mengukuhkan kepimpinan mereka dalam proses termaju tahan radiasi. Infrastruktur Pertahanan Industri (DIB) mungkin mendorong pembinaan barisan pengeluaran GAA-FET dalam negara, mengurangkan pergantungan kepada faundri Asia.
• Taiwan, China: Sebagai peneraju faundri global, TSMC mesti mengikuti penyelidikan kebolehpercayaan radiasi GAA-FET. Jika TSMC menawarkan pilihan C-BDI pada 2nm, ia boleh mengukuhkan pesanan aeroangkasa (seperti SpaceX, NASA), tetapi terhad oleh kawalan eksport, tidak boleh menyediakan proses tahan radiasi sedemikian ke tanah besar China.
• Korea Selatan: Samsung Electronics, melalui kerjasama dengan Institut Sains Pertahanan Korea (ADD), mungkin menggunakan penyelidikan ini untuk mengukuhkan kedudukan GAA-FET 3nm dalam pasaran berketinggian tinggi, dan mendapatkan kelayakan Trusted Foundry daripada Jabatan Pertahanan AS.
• Tanah Besar China: SMIC dan Hua Hong masih pada peringkat FinFET, rancangan pengeluaran besar-besaran GAA-FET tertangguh. Kajian tentang haba sendiri dan kekerasan radiasi menyediakan hala tuju teknikal untuk mereka mengejar, tetapi dalam keadaan EDA dan peralatan terhad, tidak boleh dikomersialkan dalam jangka pendek. China memberi tumpuan kepada SRAM tahan radiasi proses matang (seperti 65nm, 40nm), tetapi jurang prestasi semakin melebar.
• Jepun: Rapidus bekerjasama dengan imec untuk membangunkan GAA-FET 2nm, boleh merujuk penyelidikan ini untuk mengoptimumkan kebolehpercayaan SRAM mereka, bagi menarik pelanggan automotif dan industri.
• Eropah: imec mempunyai pengalaman mendalam dalam peranti nanosheet dan TCAD. Hasil penyelidikan ini akan diserap ke dalam projek konsortium industri imec, membantu pembekal peralatan seperti ASML dan KLA membangunkan penyelesaian metrologi berkaitan.- Dalam 3 tahun (2026-2029) : Samsung dan TSMC akan memperkenalkan teknologi BDI pada tahap berbeza dalam proses 3nm/2nm mereka untuk meningkatkan kekerasan sinaran SRAM. Kesan pemanasan sendiri akan dikurangkan melalui bahan baru (seperti substrat berlian atau lapisan penyebar haba graphene), tetapi tidak akan diselesaikan sepenuhnya.
• 5 tahun (2030) : Kekerasan sinaran SRAM GAA-FET menjadi keperluan standard untuk cip berketahanan tinggi, dan C-BDI atau struktur serupa menjadi arus perdana. Penyepaduan simulasi bersama pemanasan-sinaran dalam alatan EDA menjadi standard.
• 10 tahun (2036) : Dengan kebangkitan CFET (Complementary FET) atau SRAM timbunan 3D, pengurusan terma dan perlindungan sinaran menghadapi cabaran baharu. Hasil penyelidikan C-BDI semasa akan menjadi asas, diwarisi atau diperbaiki oleh peranti generasi akan datang.

Kesimpulan

Keputusan industri paling penting dalam kajian ini adalah: Pada era GAA-FET selepas grafit, reka bentuk kebolehpercayaan telah berkembang daripada prestasi-kuasa-keluasan (PPA) semata-mata kepada kawalan bersama haba-sinaran, yang akan menjadi halangan utama bagi kilang fabrikasi untuk memasuki pasaran aeroangkasa, pertahanan, dan kereta mewah. Walaupun teknologi C-BDI masih di peringkat TCAD, ia mendedahkan satu hala tuju: melalui reka bentuk pengasingan fizikal dan laluan pengaliran haba yang bijak, keupayaan ketahanan sinaran dapat dipertingkatkan tanpa mengorbankan pelesapan haba. Bagi rantaian industri, kajian ini mengingatkan bahawa EDA, bahan, peralatan, dan fabrikasi mesti berkembang secara sinergi; jika tidak, walaupun dengan ketumpatan transistor tertinggi, keperluan kebolehpercayaan infrastruktur kritikal tidak dapat dipenuhi.

---

• Sumber maklumat:
• Kertas teknik asal: Lu et al., "Self-Heating and Radiation Hardness Studies of 3nm GAA-FET-Based SRAM with Different Substrate Isolation Techniques," arXiv, Julai 2026. https://doi.org/10.48550/arXiv.2607.05789
• Laporan Semiconductor Engineering: https://semiengineering.com/3nm-gaa-fet-sram-review-evaluates-self-heating-and-radiation-hardness-sjsu-sandia/