Транзисторы – основные компоненты интегральных микросхем. Миллионы штук, размещенные на очень небольшой площади, они оказывают решающее влияние на их окончательный размер, скорость работы, энергопотребление и цену. Вот почему полупроводниковая промышленность продолжает стремиться к их совершенствованию. Результатом этого на сегодня являются очень интересные технологии, в том числе новейший GAAFET (Gate-All-Around FET), который представим в статье более подробно.
Для справки: транзисторы в основном являются переключателями между двумя состояниями: включено и выключено. В полевых транзисторах проводимость канала контролируется электрическим полем — поток электронов между истоком и стоком зависит от напряжения, приложенного к затвору. В n-канальных транзисторах электроны перетекают от истока к стоку, когда на затвор подается положительное напряжение. Если, с другой стороны, напряжение затвор-исток близко к нулю, ток через канал блокируется.
Планарная технология
Традиционно полевые транзисторы изготавливались по планарной технологии, при которой на кремниевую подложку, составляющую материал затвора, наносился диэлектрик (диоксид кремния), а поверх него проводящий слой электродов затвора. Затем на такую пластину в процессе литографии наносился рисунок, представляющий распределение интегрированных структур.
На следующем этапе были определенные области пластины, выявляются истоки и стоки. Затем эти части легированы. Планарная технология была разработана 60 лет назад, но транзисторы до сих пор производятся таким образом. К сожалению, проблема в ее случае оказалась в масштабировании. В итоге был достигнут предел — около 20 нм, при котором дальнейшее уменьшение длины затвора оказалось невозможным. Это было связано с неблагоприятными для работы транзистора эффектами, такими как короткоканальный, в котором между истоком и стоком протекает слишком большой ток утечки, несмотря на выключенное состояние. Это не позволяет полностью отключить транзистор. Кроме того, при такой малой геометрии на транзистор приходилось всего несколько атомов примеси, поэтому каждая отсутствующая или лишняя частица имела значение.
Различия в уровне примесей в пределах всей интегрированной конструкции привели к несоответствию длин затворов. Это, в свою очередь, вызывало различия в пороговых напряжениях отдельных транзисторов. Как следствие, напряжение питания пришлось увеличить, чтобы обеспечить запас для компенсации разницы напряжений переключения, что увеличило потребление энергии.
Данные проблемы со временем вынудили активизировать работы по альтернативным технологиям производства транзисторов.
Технология FinFET
Транзистор, даже при дальнейшем уменьшении размеров интегральных конструкций, позволил восстановить возвышение канала над плоскостью платы. Так был создан своеобразный плавник, ставший характерным элементом конструкции FinFET. Он гарантирует контакт затвора с воздуховодом с трех сторон, а не только сверху. Большая площадь контакта увеличивает контроль над электрическим полем, которое также глубже проникает в канал. В результате ток, протекающий через него, можно регулировать более эффективно, ограничивая его утечку в выключенном состоянии. Еще одним преимуществом выступает более низкое напряжение затвора, что снижает энергопотребление. Хотя идея конструкции FinFET была представлена ещё в 1999 году, ее внедрения в массы пришлось ждать до 2011 года. В то время Intel первой объявила о выпуске 22-нм технологии FinFET. Компания представила транзисторы в этой версии под собственным названием Tri-Gate — по этой технологии был сделан Ivy Bridge, 22-нанометровая версия процессора Sandy Bridge-86.
Тем не менее, в то время технология FinFET была провозглашена самым революционным изменением, произошедшим в полупроводниковой промышленности за более чем 50 лет, проложившим путь к трехмерному масштабированию. Построив транзисторы вертикально, можно еще больше уменьшить их размер и упаковать больше в единицу площади чипа. Однако это не означает, что в производстве технологии FinFET нет новых проблем.
Например, ребра изготавливаются в рамках процессов SADP (самовыравнивающееся двойное формирование) и SAQP (самовыравнивающееся четверное формирование). В них используются прокладки, встроенные в боковые стенки конструкции, которые затем удаляются травлением, оставляя ребра позади. Их высота и ширина должны строго контролироваться. Также требуется выборочное травление для удаления мусора с углов ребра и литника без повреждения открытых поверхностей.
Тонкие, деликатные структуры ребер и литников также являются проблемой для процессов очистки. Проблемы возникают и на этапе заполнения затвора токопроводящим материалом. Чем уже становится конструкция, тем сложнее ее встроить, не создавая отверстия посередине.
Правда за последние несколько лет данные задачи были успешно решены. Благодаря этому конструкции FinFET способствовали тому, что закон Мура все еще применяется. К сожалению, в конце концов, они также достигли конца – около 7 нм.
Технология GAAFET
Последней разработкой в области производства транзисторов является технология GAAFET (Gate-All-Around FET). Основная модификация по сравнению с FinFET заключается в том, что затвор будет соприкасаться с каналом не с трех, а со всех сторон. Предлагается несколько вариантов технологии GAAFET. В базовой версии будут использоваться отдельные горизонтальные нанолисты, расположенные слоями и окруженные со всех сторон материалом затвора. Эта конструкция обеспечит лучший контроль над характеристиками канала по сравнению с технологией FinFET.
В отличие от транзисторов в этой версии, где более высокий ток требует большего количества ребер расположенных рядом, пропускная способность по току GAA-транзисторов может быть увеличена путем укладки нескольких нанолистов вертикально, с материалом затвора, обернутым вокруг каналов. Это экономит много места и кроме того, размеры нанолистов можно масштабировать, чтобы размеры транзисторов соответствовали конкретной производительности. Как и в случае с ребрами FinFET, ширина и расстояние между листами GAAFET будут уменьшаться по мере миниатюризации.
В настоящее время лидером технологии является компания Samsung, которая разработала и запатентовала собственную версию GAA-транзисторов — Multi-Bridge Channel FET (MBCFET) с нанолистами. По сравнению с 5-нм транзисторами эти 3-нм MBCFET первого поколения (3GAE, 3-нм Gate-All-Around) обеспечивают снижение энергопотребления до 45 %, повышение эффективности на 23 % и уменьшение площади транзистора на 16 %. Ожидается, что следующее поколение еще больше улучшит эти характеристики, потребляя на 50 % меньше энергии, на 30 % имея лучше производительность и на 35 % меньше занимаемой площади. Компания Samsung уже объявила об использовании интегральных микросхем в этой технологии в широком спектре мобильных устройств, для нужд автопрома, искусственного интеллекта и Интернета вещей IoT.
Другие ведущие производители также не отстают. Например, TSMC начнет производство 2-нм технологии GAAFET в этом году, а Intel планирует начать производство технологии GAAFET под собственным названием RibbonFET 20A (20 ангстрем) в 2024 году. Посмотрим что у них получится…
