在過去的50年中，影響最深遠的技術成就可能是晶體管一如既往地穩步向更小邁進，使它們更緊密地結合在一起，並降低了它們的功耗。然而，自從20多年前筆者在英特爾開始職業生涯以來，我們就一直在聽到警報——晶體管下降到無窮小的狀態即將結束。然而，年複一年，出色的新創新繼續推動半導體行業進一步發展。
晶體管的演變每個金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）都有一套相同的基本部件:柵極疊層 (gate stack) 、溝道區 (channel region) 、源極 (source) 、漏極 (drain)源極和漏極經過化學摻雜，使它們要麽富含移動電子(n型)，要麽缺乏它們(p型)。溝道區具有與源極和漏極相反的摻雜。
2011年之前的先進微處理器中的平面版本晶體管中，MOSFET的柵極疊層剛好在溝道區的上方，是用來將電場投射到溝道區域。向柵極施加足夠大的電壓 (相對于源極) ，就會在通道區域形成一層移動電荷載流子，這樣就能讓電流在源極和漏極之間流動。
爲了縮小平面晶體管設計的尺寸，一種「短溝道效應」成爲物理家們的焦點。因爲隨著制程技術不斷提升時，晶體管中柵極的寬度被擠壓的越來越小。要知道，當這個柵極低于20nm時，就會對電流失控，源極的電流會穿透柵極，直接到達漏極。這時，就會出現「漏電」現象，這會讓芯片能耗急劇上升。
爲了解決這個問題，一種全新的FinFET晶體管技術提出了。它將柵極包裹在三個側面的溝道周圍，以提供更好的靜電控制。
FinFET與上一代平面架構相同的性能水平下將功耗降低了約 50%。FinFET 的切換速度也更快，性能提升了 37%。
2011年，英特爾在其推出的22nm節點上引入了FinFET，並將其用在了第三代酷睿處理器的生産。從那時起，FinFET就成爲摩爾定律的主力。然而，我們在轉向FinFET的同時，也失去了一些東西。
在平面器件中，晶體管的寬度由光刻定義，因此它是一個高度靈活的參數。但在 FinFET 中，晶體管寬度以離散增量（discrete increments）的形式出現，即每次添加一個鳍。這一特性通常被稱爲鳍量化（fin quantization）。
盡管 FinFET 很靈活，但鳍量化仍然是一個重要的設計約束。圍繞它的設計規則，以及增加更多鳍片以提高性能的願望增加了邏輯單元的整體面積，並使將單個晶體管變成完整邏輯電路的互連堆棧複雜化。
它還增加了晶體管的電容，從而降低了它的開關速度。因此，雖然FinFET作爲行業主力爲我們提供了很好的服務，但仍需要一種新的、更精細的方法。正是這種方法引導物理學家們發明了即將推出的3D晶體管——RibbonFET。
在RibbonFET中，柵極環繞晶體管溝道區域以增強對電荷載流子的控制。新結構還可以實現更好的性能和更精細的優化。具體來講，柵極完全圍繞溝道，對溝道內的電荷載流子提供更嚴格的控制，這些溝道現在由納米級硅帶形成。
使用這些納米帶（納米片），就可以再次使用光刻技術根據需要改變晶體管的寬度。去除量化約束後，便可以爲應用程序生成適當大小的寬度。這樣就使我們能夠平衡功率、性能和成本。
更重要的是，通過堆疊和並行操作，設備可以驅動更多的電流，不增加面積的情況下也能提升性能。
因此，英特爾認爲RibbonFET是在合理功率下實現更高性能的最佳選擇。他們將在2024年Intel 20A工藝上引入RibbonFET結構。
英特爾是如何做到這一切的自對准 3D CMOS 制造始于硅晶片。在這個晶圓上，英特爾沉積了硅和硅鍺的重複層，這種結構稱爲超晶格。然後，英特爾使用光刻圖案切割部分超晶格並留下鳍狀結構。超晶格晶體爲後來發生的事情提供了強大的支撐結構。
接下來，英特爾將一塊“虛擬”多晶硅沉積在器件柵極將進入的超晶格部分的頂部，以保護它們免受該制程的下一步影響。該步驟稱爲垂直堆疊雙源/漏極工藝，在頂部納米帶（未來的 NMOS 器件）的兩端生長摻磷硅，同時在底部納米帶（未來的 PMOS 器件）上選擇性地生長摻硼硅鍺。在這個步驟之後，英特爾在源極和漏極周圍沉積電介質，以將它們彼此電隔離，然後將晶圓抛光至完美的平整度。
這個過程可能看起來很複雜，但它比替代技術更好——一種稱爲順序3D堆疊CMOS 的技術。采用這種方法，NMOS器件和PMOS器件構建在不同的晶圓上，將兩者粘合，然後將 PMOS 層轉移到NMOS晶圓上。相比之下，自對准3D工藝需要更少的制造步驟並更嚴格地控制制造成本，這是英特爾在研究中展示並在IEDM 2019上報告的技術。
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