GAA-FET транзисторы идут на смену FinFET


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.

GAA-FET транзисторы идут на смену FinFET
Переход от планарных транзисторов к FinFET и GAA это непрерывный технологический путь в производстве полупроводников.

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.

GAA-FET транзисторы идут на смену FinFET
В процессе GAA нанопроволоки или наночастицы размещаются горизонтально друг над другом, в отличие от FinFET,  для увеличения потока электричества.

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.

GAA-FET транзисторы идут на смену FinFET
Samsung заявляет, что следующее поколение, MBCFET, еще больше улучшит показатели мощности, размера и скорости.

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.

Полезное:  Лампа ультрафиолетовая бактерицидная для дома: отзывы и испытания

НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ