Давно известно, с транзисторами размерами менее 5нм надо что-то делать. В настоящее время производители чипов самые передовые решения выпускают с использованием вертикальных затворов FinFET. Транзисторы FinFET ещё можно будет выпускать с использованием 5-нм и 4-нм техпроцесса (что бы ни понималось под этими нормами), но уже на этапе производства 3-нм полупроводников структуры FinFET перестают работать так, как надо. Затворы транзисторов оказываются слишком малы, а управляющее напряжение недостаточно низким, чтобы транзисторы продолжали выполнять свою функцию вентилей в интегральных схемах. Поэтому лидер полупроводниковой отрасли Samsung, начиная с 3-нм техпроцесса перейдёт на изготовление транзисторов с кольцевыми или всеохватывающими затворами GAA (Gate-All-Around).
В сегодняшнем официальном пресс-релизе техногигант представил инфографику, иллюстрирующую структуру новых транзисторов и поведал о всех плюсах в случае их использования.
Как показано на иллюстрации, по мере снижения технологических норм производства, затворы прошли путь от планарных структур, которые могли контролировать одну-единственную область под затвором до вертикальных каналов, окружённых затвором с 3-х сторон и, наконец, приблизились к переходу на каналы, окружённые затворами со всех 4-х сторон. Весь этот путь сопровождался увеличением площади затвора вокруг управляемого канала, что позволяло снижать питание транзисторов без ущерба для токовых характеристик транзисторов. Следовательно, это вело к увеличению производительности транзисторов и к снижению токов утечек. Транзисторы GAA в станут новым венцом творения и не потребуют значительной переделки классических CMOP-техпроцессов.
Окружённые затвором каналы могут выпускаться как в виде тонких перемычек (нанопроводов), так и в виде широких мостов или наностраниц. Samsung сообщает о выборе в пользу наностраниц и заявляет о защите разработки патентами, хотя все эти структуры там разрабатывали ещё во времена альянса с IBM и другими компаниями, например, с AMD. Новые транзисторы Samsung будет называть не GAA, а патентованным именем MBCFET (Multi Bridge Channel FET). Широкие страницы каналов обеспечат значительные токи, которые труднодостижимы в случае нанопроводных каналов.
Переход к кольцевым затворам позволит также увеличить энергоэффективность новых транзисторных структур. Это означает, что напряжение питания транзисторов можно уменьшить. Для FinFET структур условным порогом снижения питания вендор называет 0,75В. Переход на транзисторы MBCFET опустит эту границу ещё ниже.
Следующим преимуществом транзисторов MBCFET в Samsung называют необычайную гибкость решений. Так, если характеристиками транзисторов FinFET на стадии производства можно управлять только дискретно, закладывая в проект определённое число рёбер на каждый транзистор, то проектирование схем с транзисторами MBCFET будет напоминать тончайший тюнинг под каждый проект. И это будет сделать очень просто: достаточно выбрать необходимую ширину каналов-наностраниц, а этот параметр можно изменять линейно.
Для производства MBCFET-транзисторов, как уже сказано выше, классический техпроцесс CMOP и установленное на заводах промышленное оборудование подойдут без значительных изменений. Небольшой доработки потребует только этап обработки кремниевых пластин. Со стороны контактных групп и слоёв металлизации даже не придётся ничего менять.
В заключение Samsung впервые даёт качественную характеристику тем улучшениям, которые принесёт с собой переход на 3-нм техпроцесс и транзисторы MBCFET (уточним, Samsung прямо не говорит о 3-нм техпроцессе, но ранее производитель сообщал, что 4-нм техпроцесс всё ещё будет использовать транзисторы FinFET). Итак, по сравнению с 7-нм FinFET техпроцессом переход на новые нормы и MBCFET обеспечит снижение потребления на 50%, увеличение производительности на 30% и уменьшение площади чипов на 45%. Не «или, или», а именно в совокупности. Новая технология может быть внедрена уже к концу 2021 года.
Reduced Size, Increased Performance: Samsung’s GAA Transistor, MBCFET™
The latest semiconductors hold a vast amount of information inside tiny microchips that are becoming smaller and smaller with each iteration.
In order to reduce the size of semiconductors, FinFET architecture was introduced to further scale gate length. As Samsung designed even smaller microchips, new challenges arose, and achieving below 4-5 nm has proved difficult when using the current FinFET transistor architecture. This observation has spurred the company to innovate and implement its new Gate-All-Around (GAA) transistors.
Samsung’s GAA redesigns the transistor, making it more power-efficient and better-performing than the existing Multi Bridge Channel FET (MBCFET™) that utilize stacked nanosheets. Samsung’s patented MBCFET™ is formed as a nanosheet, allowing for a larger current and simpler device integration.
Take a look at the infographic to learn more about how Samsung’s GAA is advancing the future of semiconductor technology.
