Français
Menu

Transistors FinFET vs GAA : les principales différences

Dans un FinFET, la grille enveloppe une ailette verticale de silicium sur trois côtés. Dans un transistor gate-all-around (GAA), la grille entoure le canal de tous les côtés, généralement sous forme de nanofeuillets horizontaux empilés. Envelopper plus complètement le canal permet de mieux maîtriser les fuites aux faibles longueurs de grille, c'est pourquoi les principaux fabricants de puces passent du FinFET au GAA aux nœuds de la classe 3 nm et 2 nm.

CritèreFinFETGAA (nanofeuillets)
Structure de grilleLa grille couvre trois côtés d'une ailette verticaleLa grille entoure le canal sur ses quatre côtés
Forme du canalUne fine ailette verticale de siliciumDes nanofeuillets (ou nanofils) horizontaux, empilés les uns sur les autres
Contrôle électrostatiqueBon, bien meilleur que celui des transistors planairesEncore meilleur, ce qui réduit les fuites et permet des grilles plus courtes et une tension d'alimentation plus basse
Réglage de la largeur du canalPar paliers discrets : la largeur dépend du nombre d'ailettes, car leur hauteur est fixeSouple : la largeur et le nombre de feuillets peuvent être choisis pour chaque transistor
Principales étapes de fabricationStructuration des ailettes (souvent par SADP ou SAQP), isolation des ailettes, formation de la grilleÉpitaxie de couches alternées de Si et de SiGe, retrait sélectif du SiGe pour libérer les feuillets, espaceurs internes
Complexité du procédéMature et bien maîtriséPlus complexe, avec de nouvelles étapes et un contrôle plus strict
Auto-échauffementUn problème, car la chaleur s'évacue mal du canal minceUn problème également, car les feuillets sont entourés d'isolants
Première production en volumeIntel 22 nm (Tri-Gate), commercialisé en 2012Première production en volume à la classe 3 nm, vers 2022 ; d'autres grands fabricants ont suivi
Noms commerciauxTri-Gate (Intel), FinFET (TSMC, Samsung et autres)RibbonFET (Intel), MBCFET (Samsung), nanosheet (TSMC)

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

FinFET
Le pilier des puces logiques d'environ 22 nm à 5 nm, encore largement utilisé à 3 nm. Il est mature, avec des règles de conception bien connues et un rendement élevé.
GAA
L'étape suivante pour les nœuds les plus fins, où les FinFET peinent à maîtriser les fuites et où les concepteurs veulent régler la largeur de chaque transistor.
Au-delà
La recherche se poursuit sur les FET complémentaires empilés (CFET), qui superposent les nMOS et les pMOS.

Questions fréquentes

Pourquoi le GAA est-il meilleur que le FinFET ?

Dans un transistor gate-all-around, la grille entoure le canal de tous les côtés, ce qui maîtrise mieux les fuites aux très faibles longueurs de grille qu'un FinFET, dont la grille couvre trois côtés. Il permet aussi aux concepteurs de régler la largeur de canal de chaque transistor.

Les transistors GAA sont-ils les mêmes que les transistors à nanofeuillets ?

Les transistors à nanofeuillets sont la forme de GAA la plus courante : des feuillets horizontaux empilés et enveloppés par la grille. Les transistors à nanofils sont une autre forme de GAA. Intel appelle sa version RibbonFET et Samsung l'appelle MBCFET.

Quand l'industrie est-elle passée du FinFET au GAA ?

Les FinFET ont été produits en volume par Intel à 22 nm en 2012. Le GAA a atteint la production en volume à la classe 3 nm vers 2022, et d'autres grands fabricants de puces ont suivi.

Qu'est-ce qui vient après le GAA ?

La recherche se concentre sur les FET complémentaires (CFET), qui empilent les transistors nMOS et pMOS les uns sur les autres pour gagner de la surface.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la caractéristique structurelle du FinFET ?

  1. ALa grille entoure sur trois côtés un canal dressé en forme d'ailette (fin)
  2. BSeule la face supérieure du canal est couverte par une grille plane
  3. CLe métal est en contact direct avec le canal, sans diélectrique de grille
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. La grille entoure sur trois côtés un canal dressé en forme d'ailette (fin)

Le FinFET est un transistor tridimensionnel dans lequel le silicium est dressé comme une ailette (fin) de quelques nm à une quinzaine de nm de large et de quelques dizaines de nm de haut, dont les deux flancs et la face supérieure sont entourés par la grille. La grille contrôlant le canal sur trois côtés, les effets de canal court sont plus faciles à limiter que dans un transistor planaire et la fuite à l'état bloqué est réduite. De plus, le chemin de courant s'étendant en hauteur, un fort courant est obtenu sur une petite surface. Il est devenu la norme de la logique avancée à partir du nœud 22 nm.

Quelle est la définition d'un transistor GAA (gate-all-around) ?

  1. ALa grille ne couvre que la face supérieure du canal
  2. BLa grille entoure entièrement le canal, par exemple des nanofeuillets
  3. CIl fonctionne sans grille, avec seulement une source et un drain
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. La grille entoure entièrement le canal, par exemple des nanofeuillets

Le GAA est une structure qui empile plusieurs canaux minces en forme de feuillets (nanofeuillets) ou de fils de quelques nm d'épaisseur, entièrement entourés par la grille. Le contrôle s'exerçant sur quatre côtés, l'emprise de la grille est encore plus forte que dans un FinFET, ce qui permet de limiter les effets de canal court jusqu'à des longueurs de grille plus courtes. Adopté par Samsung au nœud 3 nm (2022), par TSMC au nœud 2 nm et par Intel au nœud 18A, il est la structure standard qui succède au FinFET.

Comment ajuste-t-on la largeur de canal effective d'un transistor FinFET ?

  1. AEn faisant varier le nombre d'ailettes, si bien que la largeur de canal prend des valeurs discrètes
  2. BPar l'amplitude de la tension de grille
  3. CElle peut être fixée à n'importe quelle valeur continue, comme pour un transistor planaire
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. En faisant varier le nombre d'ailettes, si bien que la largeur de canal prend des valeurs discrètes

Dans un FinFET, la hauteur et la largeur des ailettes sont fixées par le procédé ; la largeur de canal s'ajuste donc par le nombre d'ailettes et prend des valeurs discrètes, en « nombre d'ailettes » (quantification de la largeur). Il devient alors difficile de créer des rapports de courant fins dans les circuits analogiques ou d'ajuster finement les rapports de force des transistors d'une cellule SRAM, ce qui contraint la conception. Le GAA à nanofeuillets assouplit cette contrainte.

  1. Quel est l'avantage de conception du transistor GAA à nanofeuillets par rapport au FinFET ?
  2. Dans la fabrication des transistors GAA à nanofeuillets, pourquoi retire-t-on sélectivement les seules couches de SiGe d'un empilement alterné Si/SiGe ?
  3. Quelle combinaison d'entreprise et de nœud correspond à la première adoption du FinFET (appelé Tri-Gate par Intel) dans des produits logiques en production de masse ?

Questions d'entraînement sur Transistors avancés (FinFET et GAA)

Termes clés expliqués

FinFET
Transistor à structure tridimensionnelle dont la grille entoure sur trois côtés un canal dressé en forme d'ailette (fin). Il limite facilement les effets de canal court.
GAA (grille enrobante, gate-all-around)
Structure de transistor où la grille entoure le canal de tous côtés. Meilleur contrôle du courant que le FinFET ; utilisée pour la génération qui succède au FinFET.
Nanofeuillet (nanosheet)
Structure de transistor GAA où plusieurs canaux de silicium en forme de fines feuilles sont empilés verticalement, chacun entouré par la grille. La largeur des feuillets permet d'ajuster le courant.

Comparatifs associés