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MOSFET planaire vs FinFET : pourquoi l'industrie a changé

Un MOSFET planaire a sa grille au-dessus d'un canal plat : la grille ne contrôle donc le canal que d'un seul côté. Lorsque les grilles sont devenues plus courtes qu'environ 20 nm, le drain s'est mis à trop influencer le canal, et les fuites et les effets de canal court ont augmenté. Un FinFET élève le canal sous forme d'une fine ailette verticale et enveloppe la grille sur trois côtés, ce qui offre un contrôle bien plus serré. C'est pourquoi la logique est passée des transistors planaires aux FinFET à partir des nœuds 22 nm et 16/14 nm.

CritèreMOSFET planaireFinFET
StructureLa grille repose au-dessus d'un canal platLa grille enveloppe une fine ailette verticale de silicium sur trois côtés
Contrôle de grilleD'un seul côté : plus faible aux courtes longueurs de grilleSur trois côtés : bien plus fort
Effets de canal court (comme le DIBL)Importants aux petites dimensionsFortement atténués
Courant de fuitePlus élevé dans les composants miniaturisésPlus faible
Pente sous le seuilSe dégrade à mesure que le composant rétrécitProche de l'idéal d'environ 60 mV par décade
Courant de commande par surface occupéePlus faiblePlus élevé : la largeur de canal inclut les deux flancs et le sommet de l'ailette
Dopage du canalFort, ce qui provoque des fluctuations aléatoires de dopantsFaible ou nul, d'où moins de variabilité
Réglage de la largeurContinu : n'importe quelle largeur peut être dessinéePar paliers : fixé par le nombre d'ailettes
FabricationPlus simple et moins chèrePlus complexe : structuration des ailettes et formation de grille 3D
Utilisation actuelleNœuds matures (28 nm et plus) : analogique, microcontrôleurs, RF, IoTLogique avancée de 16/14 nm jusqu'à environ 3 nm

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 ?

Planaire
Lorsque le coût compte plus que les derniers gains de vitesse et que la conception n'a pas besoin des nœuds les plus fins : analogique, signaux mixtes et de nombreux microcontrôleurs.
FinFET
Lorsque les performances et de faibles fuites aux petites dimensions sont indispensables : smartphones, PC et processeurs de data center.

Questions fréquentes

Pourquoi les transistors planaires ont-ils cessé de se miniaturiser ?

En dessous d'une longueur de grille d'environ 20 nm, le drain s'est mis à trop influencer le canal (effets de canal court comme le DIBL), provoquant des fuites qu'un contrôle de grille d'un seul côté ne pouvait pas empêcher.

Comment un FinFET réduit-il les fuites ?

La grille enveloppe trois côtés d'une fine ailette verticale : elle contrôle donc mieux le canal et le transistor se bloque plus complètement.

La technologie planaire est-elle obsolète ?

Non. Les nœuds matures de 28 nm et plus utilisent encore des transistors planaires pour les puces analogiques, les microcontrôleurs, la RF et l'IoT, où le coût compte davantage.

Pourquoi les canaux des FinFET peuvent-ils rester non dopés ?

Un fort contrôle de grille rend inutile un dopage élevé du canal, ce qui évite les fluctuations aléatoires de dopants et réduit la variabilité entre transistors.

Vérifier vos connaissances

Lequel des énoncés suivants correspond à un effet de canal court du MOSFET ?

  1. ARaccourcir la longueur de grille rend la capacité de grille infinie
  2. BRaccourcir la longueur de grille double toujours la mobilité du canal
  3. CRaccourcir la longueur de grille abaisse la tension de seuil et augmente le courant de fuite à l'état bloqué
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Réponse : C. Raccourcir la longueur de grille abaisse la tension de seuil et augmente le courant de fuite à l'état bloqué

Lorsque la longueur de grille diminue, les zones de déplétion de la source et du drain deviennent relativement grandes, et une partie de la charge du canal est contrôlée par la source et le drain plutôt que par la grille. Il en résulte une baisse de la tension de seuil (roll-off), un abaissement du seuil par la tension de drain (DIBL), une dégradation de la pente sous le seuil et une hausse du courant de fuite à l'état bloqué. Le fait qu'une faible variation de longueur de grille due aux dispersions de fabrication modifie fortement les caractéristiques pose aussi problème.

Quelle est la définition du DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) ?

  1. ALa rupture progressive du diélectrique de grille au cours du temps
  2. BLa migration des atomes métalliques des interconnexions sous l'effet du courant
  3. CL'abaissement de la barrière de potentiel côté source, et donc de la tension de seuil, lorsque la tension de drain augmente
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Réponse : C. L'abaissement de la barrière de potentiel côté source, et donc de la tension de seuil, lorsque la tension de drain augmente

Lorsque la grille est courte, le champ électrique du drain s'étend jusqu'à proximité de la source et abaisse la barrière de potentiel entre la source et le canal. En conséquence, plus la tension de drain est élevée, plus la tension de seuil baisse et plus le courant de fuite à l'état bloqué augmente. Le DIBL s'exprime en « variation de seuil par volt de tension de drain (mV/V) » et est limité à quelques dizaines de mV/V ou moins dans les transistors avancés. Dans les amplificateurs, il réduit aussi la résistance de sortie.

Que requiert-on généralement de la largeur des ailettes pour limiter suffisamment les effets de canal court dans un FinFET ?

  1. AElle peut être fixée indépendamment de la longueur de grille
  2. BElle doit être nettement plus grande que la longueur de grille
  3. CElle doit être plus petite que la longueur de grille
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Réponse : C. Elle doit être plus petite que la longueur de grille

Plus l'ailette est fine, mieux le champ des grilles latérales atteint son centre, ce qui limite la fuite passant par les zones éloignées de la grille. À titre indicatif, la largeur d'ailette doit être comprise entre la moitié et environ la longueur de grille au plus ; elle atteint environ 5 à 7 nm dans les nœuds avancés. Trop fine, cependant, elle pose des problèmes de variation du seuil par confinement quantique, de baisse de mobilité par diffusion de surface et de dispersion d'usinage.

  1. Comment la pente sous le seuil (SS) a-t-elle généralement évolué lors du passage du transistor planaire au FinFET ?
  2. Quelle est la caractéristique structurelle du FinFET ?
  3. Quelle est la définition de la « longueur caractéristique (longueur naturelle) λ » utilisée pour estimer l'intensité des effets de canal court ?

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.
Effet de canal court
Lorsque la longueur de grille diminue, l'influence du champ de drain abaisse la tension de seuil et augmente le courant de fuite à l'état bloqué.
DIBL
Abréviation de Drain Induced Barrier Lowering. Dans un MOSFET à canal court, plus la tension de drain est élevée, plus la barrière de potentiel côté source s'abaisse et plus la tension de seuil diminue. Augmente le courant de fuite à l'état bloqué.

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