От плавников к кольцам и далее к КМОП: перипетии транзисторной эволюции
Переход на транзисторы с кольцевым затвором (GAAFET) становится главным технологическим сражением десятилетия в микроэлектронике. Samsung уже запустила серийное производство по 3-нм техпроцессу с GAAFET, в то время как TSMC и Intel продолжают использовать проверенные FinFET-транзисторы, откладывая внедрение новой архитектуры до 2024-2025 годов. За этой, на первый взгляд, технической деталью стоит не просто смена поколений чипов, а фундаментальный пересмотр физических принципов, на которых держится закон Мура. Вопрос в том, как долго производители смогут выжимать максимум из старых решений и какой ценой дастся переход к новым.
Почему планарные транзисторы уперлись в потолок
Долгое время развитие микроэлектроники шло по пути простого уменьшения (масштабирования) классических планарных МОП-транзисторов. Однако, когда длина канала сократилась примерно до 25 нм, инженеры столкнулись с так называемыми эффектами короткого канала. Основная проблема — токи утечки. Из-за смыкания обедненных зон вокруг истока и стока, транзистор переставал надежно запираться, даже при снятии напряжения с затвора. Попытки бороться с этим легированием или использованием изолирующих подложек (SOI) вели к критическому удорожанию производства.
Кроме того, при таких малых размерах стала критичной неравномерность распределения легирующих примесей. Разница в несколько атомов между соседними транзисторами приводила к разбросу характеристик, который приходилось компенсировать повышением рабочего напряжения, сводя на нет выгоду от миниатюризации.
FinFET: спасение в третьем измерении
Ответом на эти ограничения стало появление в 2011 году в процессорах Intel Ivy Bridge транзисторов FinFET (Fin Field-Effect Transistor). Ключевое новшество — отказ от плоской структуры канала. В FinFET канал представляет собой вертикальный «плавник» (fin), который с трех сторон охватывается затвором. Это кардинально меняет ситуацию.
Как это работает. Вместо одного плоского канала, FinFET создает три поверхности канала (две вертикальные и одну горизонтальную), управляемые затвором. Такая трехмерная структура обеспечивает гораздо более эффективный контроль над током утечки. Электронам в узком и высоком плавнике «некуда бежать» от электрического поля затвора, что позволяет надежно запирать транзистор даже при минимальных размерах.
Цена прогресса: квантование и депопуляция. Несмотря на успех, у FinFET есть фундаментальный недостаток. Пропускная способность такого транзистора (drive strength) напрямую зависит от высоты и ширины плавника. Поскольку эти параметры жестко фиксированы техпроцессом, пропускная способность оказывается «квантованной». Инженеры не могут тонко настроить каждый транзистор, а лишь оперируют количеством плавников в одном элементе. Это привело к стратегии «депопуляции» — уменьшению числа плавников на транзистор для повышения плотности размещения, вместо того чтобы уменьшать сами транзисторы. К началу 2020-х годов большинство транзисторов стало двух- и одноплавниковыми, и этот ресурс был исчерпан.
GAAFET: затвор, который окружает все
Логичным развитием FinFET стала архитектура GAAFET (Gate-All-Around FET). Если в FinFET затвор охватывает плавник с трех сторон, то в GAAFET он полностью окружает канал. Для этого вертикальный плавник рассекается на несколько горизонтальных слоев (нанослоев, nanosheets или нанопроволок, nanowires), которые проходят сквозь единый затвор. Каждый такой слой становится независимым каналом.
Преимущества и сложности. GAAFET обеспечивает еще более жесткий контроль над утечками и позволяет нарастить суммарную ширину канала за счет stacking (укладки) нескольких слоев, не увеличивая площадь транзистора. Это дает прямой путь к дальнейшему повышению плотности. Однако цена такого перехода колоссальна. Производство GAAFET требует многократного увеличения числа технологических операций, включая нанесение и удаление «жертвенных» слоев. Именно поэтому TSMC и Intel, несмотря на очевидные преимущества, не спешат отказываться от отлаженного FinFET, предпочитая дорабатывать свои версии GAAFET (RibbonFET, MBCFET) для серийного выпуска.
Летом 2022 года Samsung Electronics первой в мире объявила о начале серийного выпуска 3-нм чипов по технологии GAAFET (3GAE). Однако масштабные объемы производства и работа с крупными заказчиками, такими как Qualcomm и NVIDIA, пока остаются за TSMC, которая продолжает использовать FinFET на своих 3-нм и 5-нм линиях.
Взгляд в будущее: CFET и ангстремный рубеж
Инженеры уже сейчас работают над следующей архитектурой — Complementary FET (CFET). В CFET комплементарные пары n-МОП и p-МОП транзисторов будут располагаться не рядом друг с другом, а вертикально, один над другим, в рамках одной структуры. Это сулит очередной скачок плотности, но требует принципиально новых подходов к трехмерной фотолитографии и созданию разнородных структур (с разными типами проводимости) в одном объеме. По прогнозам аналитиков IMEC, серийное производство CFET начнется не ранее 2032 года.
Что будет после CFET, когда размеры транзисторов достигнут ангстремного уровня, пока не ясно. Возможно, на смену кремнию придут углеродные нанотрубки или фотонные технологии. Однако одно можно сказать наверняка: эволюция транзисторов от планарных к FinFET и GAAFET — это не просто технический апгрейд, а смена парадигмы, которая позволила продлить жизнь закону Мура. И, судя по темпам развития, инженерам-микроэлектронщикам скучать не придется еще долго.
