FinFET vs. GAA-Transistoren: Die wichtigsten Unterschiede

Beim FinFET umschließt das Gate eine senkrechte Siliziumfinne auf drei Seiten. Beim Gate-all-around-Transistor (GAA) umgibt das Gate den Kanal auf allen Seiten, meist als gestapelte horizontale Nanosheets. Die vollständigere Umschließung des Kanals ermöglicht bei kurzen Gate-Längen eine bessere Kontrolle des Leckstroms, weshalb führende Chiphersteller bei der 3-nm- und 2-nm-Klasse von FinFET auf GAA wechseln.

Aspekt	FinFET	GAA (Nanosheet)
Gate-Struktur	Das Gate bedeckt drei Seiten einer senkrechten Finne	Das Gate umgibt den Kanal auf allen vier Seiten
Kanalform	Eine dünne senkrechte Siliziumfinne	Horizontale Nanosheets (oder Nanodrähte), übereinander gestapelt
Elektrostatische Kontrolle	Gut, deutlich besser als bei planaren Transistoren	Noch besser, was den Leckstrom verringert und kürzere Gates sowie niedrigere Versorgungsspannungen ermöglicht
Anpassung der Kanalweite	In diskreten Stufen: Die Weite ergibt sich aus der Anzahl der Finnen, da die Finnenhöhe fest ist	Flexibel: Sheet-Breite und Anzahl der Sheets können pro Transistor gewählt werden
Wichtigste Fertigungsschritte	Finnen-Strukturierung (oft mit SADP oder SAQP), Finnen-Isolation, Gate-Bildung	Epitaxie abwechselnder Si- und SiGe-Schichten, selektives Entfernen des SiGe zum Freistellen der Sheets, Inner Spacer
Prozesskomplexität	Ausgereift und gut verstanden	Komplexer, mit neuen Schritten und engerer Prozesskontrolle
Selbsterwärmung	Ein Problem, weil die Wärme aus dem dünnen Kanal schlecht abfließt	Ebenfalls ein Problem, da die Sheets von Isolatoren umgeben sind
Erste Volumenfertigung	Intel 22 nm (Tri-Gate), Auslieferung 2012	Erste Volumenfertigung in der 3-nm-Klasse, um 2022; andere große Hersteller folgten
Herstellerbezeichnungen	Tri-Gate (Intel), FinFET (TSMC, Samsung und andere)	RibbonFET (Intel), MBCFET (Samsung), Nanosheet (TSMC)

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

FinFET: Das Arbeitspferd der Logikchips von etwa 22 nm bis 5 nm und bei 3 nm noch weit verbreitet. Er ist ausgereift, mit bekannten Entwurfsregeln und hoher Ausbeute.
GAA: Der nächste Schritt für die kleinsten Knoten, wo FinFETs den Leckstrom nur schwer kontrollieren und wo Entwickler die Weite jedes einzelnen Transistors anpassen möchten.
Darüber hinaus: Die Forschung arbeitet an gestapelten komplementären FETs (CFET), die nMOS und pMOS übereinander anordnen.

FAQ

Warum ist GAA besser als FinFET?

Beim Gate-all-around-Transistor umgibt das Gate den Kanal auf allen Seiten und kontrolliert den Leckstrom bei sehr kurzen Gate-Längen besser als bei einem FinFET, bei dem das Gate drei Seiten bedeckt. Zudem können Entwickler die Kanalweite jedes Transistors anpassen.

Sind GAA-Transistoren dasselbe wie Nanosheet-Transistoren?

Nanosheet-Transistoren sind die häufigste Form von GAA: horizontale, übereinander gestapelte Sheets, die vom Gate umschlossen werden. Nanodraht-Transistoren sind eine weitere GAA-Form. Intel nennt seine Variante RibbonFET, Samsung nennt sie MBCFET.

Wann ist die Industrie von FinFET auf GAA umgestiegen?

FinFETs wurden 2012 von Intel bei 22 nm in Stückzahlen ausgeliefert. GAA erreichte die Volumenfertigung in der 3-nm-Klasse um 2022, andere führende Chiphersteller folgten.

Was kommt nach GAA?

Die Forschung konzentriert sich auf komplementäre FETs (CFET), die nMOS- und pMOS-Transistoren übereinander stapeln, um Fläche zu sparen.

Wichtige Begriffe erklärt

FinFET: Ein 3D-Transistor, dessen Kanal wie eine Finne aufrecht steht und vom Gate an drei Seiten umschlossen wird. Er unterdrückt Kurzkanaleffekte gut.
GAA (Gate-all-around): Eine Transistorstruktur, bei der das Gate den Kanal von allen Seiten umschließt. Sie steuert den Strom besser als FinFET und wird in den Generationen nach FinFET eingesetzt.
Nanosheet-Transistor: Eine GAA-Transistorstruktur, die mehrere dünne, plattenförmige Siliziumkanäle vertikal stapelt, jeweils vom Gate umschlossen. Der Strom lässt sich über die Sheet-Breite einstellen.