Planarer MOSFET vs. FinFET: Warum die Industrie gewechselt hat

Ein planarer MOSFET hat sein Gate oberhalb eines flachen Kanals, sodass das Gate den Kanal nur von einer Seite steuert. Als die Gates kürzer als etwa 20 nm wurden, begann der Drain den Kanal zu stark zu beeinflussen, und Leckstrom und Kurzkanaleffekte nahmen zu. Ein FinFET hebt den Kanal in eine dünne senkrechte Finne und umschließt sie auf drei Seiten mit dem Gate, was eine deutlich bessere Kontrolle ergibt. Deshalb wechselte die Logik ab den Knoten 22 nm und 16/14 nm von planaren Transistoren zu FinFETs.

AspektPlanarer MOSFETFinFET
AufbauDas Gate liegt auf einem flachen KanalDas Gate umschließt eine dünne senkrechte Siliziumfinne auf drei Seiten
Gate-KontrolleNur von einer Seite: bei kurzen Gatelängen schwächerVon drei Seiten: deutlich stärker
Kurzkanaleffekte (etwa DIBL)Bei kleinen Abmessungen gravierendStark unterdrückt
LeckstromIn skalierten Bauelementen höherNiedriger
Subthreshold-SwingVerschlechtert sich mit schrumpfendem BauelementNahe am Idealwert von etwa 60 mV pro Dekade
Treiberstrom pro GrundflächeNiedrigerHöher: Die Kanalbreite umfasst beide Finnenseiten und die Oberseite
KanaldotierungStark, was zufällige Dotierstoffschwankungen verursachtSchwach oder undotiert, daher weniger Streuung
BreiteneinstellungKontinuierlich: Jede Breite kann gezeichnet werdenIn Stufen: bestimmt durch die Anzahl der Finnen
FertigungEinfacher und günstigerAufwendiger: Finnenstrukturierung und 3D-Gate-Bildung
Heutiger EinsatzAusgereifte Knoten (28 nm und größer): Analog, Mikrocontroller, HF, IoTFortschrittliche Logik von 16/14 nm bis etwa 3 nm

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

Wann welches einsetzen

Planar
Wenn Kosten wichtiger sind als das letzte Quäntchen Geschwindigkeit und der Entwurf die kleinsten Knoten nicht braucht: Analog, Mixed-Signal und viele Mikrocontroller.
FinFET
Wenn Leistung und geringer Leckstrom bei kleinen Abmessungen entscheidend sind: Smartphones, PCs und Rechenzentrumsprozessoren.

FAQ

Warum hörten planare Transistoren auf zu skalieren?

Unterhalb einer Gatelänge von etwa 20 nm begann der Drain den Kanal zu stark zu beeinflussen (Kurzkanaleffekte wie DIBL), was Leckstrom verursachte, den die Gate-Kontrolle von nur einer Seite nicht stoppen konnte.

Wie verringert ein FinFET den Leckstrom?

Das Gate umschließt drei Seiten einer dünnen senkrechten Finne, kontrolliert den Kanal dadurch besser, und der Transistor sperrt vollständiger.

Ist die planare Technologie veraltet?

Nein. Ausgereifte Knoten ab 28 nm aufwärts verwenden für Analog-, Mikrocontroller-, HF- und IoT-Chips weiterhin planare Transistoren, bei denen die Kosten wichtiger sind.

Warum können FinFET-Kanäle undotiert bleiben?

Die starke Gate-Kontrolle macht eine hohe Kanaldotierung überflüssig, was zufällige Dotierstoffschwankungen vermeidet und die Streuung zwischen Transistoren verringert.

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.
Kurzkanaleffekt
Phänomene, bei denen mit schrumpfender Gate-Länge das elektrische Feld des Drains die Einsatzspannung senkt und den Leckstrom im Sperrzustand erhöht.
DIBL
Abkürzung für Drain-Induced Barrier Lowering (drainbedingte Barrierenabsenkung). Bei Kurzkanal-MOSFETs senkt eine höhere Drainspannung die Potenzialbarriere an der Source, was die Schwellenspannung verringert und den Sperrstrom erhöht.

Weitere Vergleiche