Процесс производства полупроводников с универсальным затвором (GAA), также известный как технология GAA-FET, является следующим этапом эффективности технологии FinFET, за счет снижения уровня напряжения питания и увеличения эффективности за счет усиления тока управления. Проще говоря, решение GAA позволяет транзисторам проводить больший ток при сохранении относительно небольшого размера.

Полупроводниковая промышленность перешла от планарных транзисторов к FinFET ещё при переходе от 22-нм технологии к 16-нм техпроцессу, чтобы уменьшить утечку, увеличить управляющие токи, улучшить масштабируемость, сократить время переключения и в целом облегчить выбор устройств для твердотельной логики. Технология производства FinFET хорошо масштабируется: от 22-нм чипов до 5-нм. Но эта возможность по отношению к процессу FinFET начинает становиться проблемой в узлах с меньшим характерным размером. Следовательно, для дальнейшего масштабирования полупроводниковых устройств потребуются новые технологические решения для производства интегральных микросхем. Здесь уже GAA стал наиболее экономичным вариантом транзистора для замены FinFET и дает значительные преимущества.

Первая технология GAA была продемонстрирована еще в 1986 году. Но создавать GAA-транзисторы в лаборатории намного проще, чем производить микросхемы в больших масштабах. Компания Samsung, которая в 2022 году выпустила первую интегральную микросхему с использованием GAA по 3-нм технологическому процессу, начала исследования GAA-транзисторов ещё лет 20 назад. Производитель начал экспериментировать с конструкциями с использованием GAA в 2017 году, а в 2019 году объявил о прорыве в технологическом процессе.

Что такое транзисторы GAA

Всенаправленный затвор, метод обработки полупроводников нового поколения, предлагает два уникальных преимущества по сравнению с FinFET. Во-первых, GAA-транзисторы решают многие проблемы с токами утечки, поскольку каналы в этих устройствах горизонтальные. Технология GAA заключается в наложении множества наночастиц или нанопроволок и окружении этих каналов затворными материалами со всех сторон. Это обеспечивает более высокую пропускную способность по току чем FinFET, которые требуют размещения вертикальных «ребер» бок о бок, чтобы увеличить максимальное количество электрической энергии, которая может проходить через транзистор.

Во-вторых, транзисторы GAA окружены затворами со всех четырех сторон. Это улучшает их структуру, позволяя затвору контактировать со всеми четырьмя сторонами по сравнению с тремя в техпроцессе FinFET. В результате конструкция GAA может управлять током более точно, чем FinFET. Следует отметить, что архитектура GAA-транзистора на 90 % похожа на FinFET, а остальные 10 % различия связаны с укладкой горизонтальных наночастиц друг на друга. Это приводит к большему контролю над потоком тока, что приводит к увеличению энергоэффективности. В результате электронные устройства, использующие чипы на основе GAA работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем изготовленные с использованием техпроцесса FinFET.

MBCFET транзисторы от Самсунг

Samsung называет свою реализацию многоканальным полевым транзистором моста (MBCFET). В нем используются наночастицы с более широкими каналами, что обеспечивает более высокую эффективность и большую надежность по сравнению с другими технологиями GAA, использующими нанопроволоки с более узкими каналами. В этом подходе, основанном на нанолистах, их размеры являются ключевым показателем при определении мощностных характеристик и КПД транзистора. Другими словами, чем больше нанолист, тем выше работоспособность при большей мощности. Следовательно, конструкции транзисторов, ориентированные на небольшой размер, могут использовать наночастицы меньшего размера, а логические микросхемы, требующие более высокой энергоэффективности, могут использовать более широкие листы.

Samsung уже отгрузила покупателям первую партию чипов по технологии GAA, она досталась китайской компании по добыче криптовалюты.

Samsung планирует подготовить второе поколение микросхем, изготовленных по 3-нм техпроцессу, в 2023 году и начать массовое производство с размером уже 2 нм на основе GAA в 2025 году. Это даст корейской мегафабрике возможность стабилизировать производство на основе GAA и опережать кривую производства полупроводников, чтобы сократить разрыв с TSMC. Вышеупомянутый бренд предусматривает реализацию GAA на своих 2-нм чипах и выпуск первых построенных на данной технологии ориентировочно к 2026 году. TSMC по-прежнему намеревается производить свои блоки по 3-нм техпроцессу, используя более известную и проверенную архитектуру FinFET, которая связана с меньшим риском внедрения. При этом фирма утверждает что значительно усовершенствовала технологию FinFET.

TSMC планирует начать использовать транзисторы GAA в начальном поколении своего техпроцесса N2. Судя по всему тайваньская мегафабрика придерживается более осторожного подхода, медленнее продвигаясь к внедрению транзисторов GAA. Эта стратегия хорошо служила компании в прошлом, обеспечивая более последовательные обновления своих производственных предложений.

Интел и RibbonFET

Технология обработки полупроводников FinFET в настоящее время находится на уровне пятого поколения и уже несколько лет является производственным стандартом. Теперь, когда появилась первая серия чипов GAA, мегафабрики могут бороться за господство в этой технологии в ближайшие годы. Intel, которая продает свою технологию GAA как RibbonFET, намерена перейти на новый процесс производства полупроводников на узле 2 нм, как и TSMC. Наряду с межблочными соединениями PowerVia, бренд намерен представить на рынке транзисторы GAA RibbonFET в середине 2024 года, одновременно создавая внутренний псевдоузел для нового техпроцесса, чтобы отличать его от существующих решений.

Техника процесса GAA, важная веха в кремниевой литографии, получит известность благодаря беспрецедентному строительству заводов. Все три игрока в секторе производства высококачественных полупроводников — TSMC, Samsung и Intel — твердо намерены внедрить подход GAA. Это означает что данная технология процесса производства кремния следующего поколения определена и бесспорна. Технологический процесс FinFET хорошо служил нанометровым узлам почти десятилетие. Теперь же пришло время GAA принять эстафету и вывести полупроводниковую промышленность на новый уровень масштабирования кремния. России также стоит поторопиться в освоении новых технологий, чтоб держать независимость и конкуренцию на мировом рынке.

Единственной проблемой может быть плавность этого скачка, поскольку конструкции, использующие всенаправленные затворы, гораздо сложнее построить, чем те, которые используют FinFET или планарные транзисторы.