Nederlands
Menu

FinFET versus GAA-transistor: structuur, controle en fabricage vergeleken

Bij een FinFET omsluit de gate een opstaande siliciumvin aan drie zijden. Bij gate-all-around (GAA) omringt de gate het kanaal volledig, meestal in de vorm van meerdere gestapelde horizontale nanosheets. Doordat het kanaal beter wordt omsloten, blijft de lekstroom beter beperkt, ook bij kortere gates. Daarom stappen toonaangevende chipfabrikanten bij de 3 nm- en 2 nm-generaties over van FinFET naar GAA.

KenmerkFinFETGAA (nanosheet)
GatestructuurDe gate bedekt drie zijden van de opstaande vinDe gate omsluit alle vier de zijden van het kanaal
KanaalvormEen dunne, opstaande siliciumvinHorizontale nanosheets (of nanodraden), verticaal op elkaar gestapeld
Elektrostatische controleGoed. Veel beter dan bij planaire transistorsNog beter. Beperkt lekstroom en is geschikt voor kortere gates en lagere voedingsspanningen
Regeling van de kanaalbreedteDiscreet. De vinhoogte is vast, dus de breedte wordt bepaald door het aantal vinnenFlexibel. De breedte en het aantal sheets zijn per transistor te kiezen
Belangrijkste fabricagestappenPatroonvorming van vinnen (vaak met SADP of SAQP), isolatie tussen vinnen, gatevormingEpitaxiale groei van afwisselend Si en SiGe, selectief verwijderen van alleen SiGe om de sheets vrij te leggen, vorming van inner spacers
ProcescomplexiteitVolwassen en goed begrepenMeer nieuwe processtappen en strengere procescontrole
ZelfverhittingEen probleem. Warmte ontsnapt moeilijk uit het dunne kanaalOok een probleem, omdat de sheets door isolatiemateriaal zijn omgeven
Start van massaproductie22 nm van Intel (Tri-Gate), geleverd vanaf 2012Massaproductie rond 2022 bij de 3 nm-generatie, gevolgd door andere grote fabrikanten
Namen per fabrikantTri-Gate (Intel), FinFET (TSMC, Samsung en anderen)RibbonFET (Intel), MBCFET (Samsung), nanosheet (TSMC)

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

FinFET
Het werkpaard voor logica van de 22 nm- tot ongeveer de 5 nm-generatie, en ook bij 3 nm nog veel gebruikt. Het is volwassen, de ontwerpregels zijn goed bekend en de opbrengst is hoog.
GAA
Voor de meest geavanceerde nodes, waar FinFET de lekstroom moeilijk meer onder controle houdt. Ook voordelig wanneer de breedte per transistor moet worden afgestemd.
Daarna
Onderzoek naar de gestapelde complementaire FET (CFET), waarbij nMOS en pMOS verticaal op elkaar worden geplaatst, loopt door.

Veelgestelde vragen

Waarom is GAA beter dan FinFET?

Bij een gate-all-around-transistor omringt de gate het volledige kanaal, waardoor de lekstroom ook bij zeer korte gatelengtes beter wordt beperkt dan bij een FinFET, waar de gate drie zijden bedekt. Een extra voordeel is dat de kanaalbreedte per transistor kan worden aangepast.

Zijn GAA-transistors en nanosheet-transistors hetzelfde?

Nanosheet is de meest gebruikelijke vorm van GAA, met gestapelde horizontale sheets die door de gate worden omsloten. Nanodraden zijn ook een vorm van GAA. Intel noemt zijn variant RibbonFET en Samsung noemt de zijne MBCFET.

Wanneer is de overstap van FinFET naar GAA gemaakt?

FinFET kwam in 2012 in massaproductie met het 22 nm-proces van Intel. GAA kwam rond 2022 in massaproductie bij de 3 nm-generatie, gevolgd door andere grote fabrikanten.

Wat komt er na GAA?

Onderzoek richt zich op de complementaire FET (CFET), waarbij nMOS en pMOS verticaal op elkaar worden gestapeld om oppervlak te besparen.

Test uw begrip

Welke uitspraak over een structureel kenmerk van de FinFET is juist?

  1. AHet kanaal staat als een vin (fin) rechtop en de gate omsluit het van drie kanten
  2. BAlleen de bovenkant van het kanaal wordt door een vlakke gate bedekt
  3. CEr wordt geen gate-isolator gebruikt en metaal maakt direct contact met het kanaal
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het kanaal staat als een vin (fin) rechtop en de gate omsluit het van drie kanten

Een FinFET is een driedimensionale transistor waarbij silicium als een vin met een breedte van enkele nm tot ruim tien nm en een hoogte van enkele tientallen nm rechtop staat en de gate beide zijkanten en de bovenkant omsluit. Omdat de gate het kanaal van drie kanten bestuurt, worden korte-kanaaleffecten gemakkelijker onderdrukt dan bij het planaire type en neemt de lekstroom in de uit-toestand af. Bovendien kan in de hoogterichting stroompad worden verkregen, zodat met een kleine oppervlakte een grote stroom wordt behaald. Sinds de 22 nm-generatie is de FinFET de standaard voor geavanceerde logica.

Welke uitspraak over een GAA-transistor (gate-all-around) is juist?

  1. AAlleen de bovenkant van het kanaal wordt door de gate bedekt
  2. BDe gate omsluit het kanaal, zoals een nanosheet, over de volledige omtrek
  3. CEr is geen gate en de transistor werkt met alleen source en drain
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. De gate omsluit het kanaal, zoals een nanosheet, over de volledige omtrek

Bij het GAA-type zijn enkele dunne plaatvormige (nanosheet) of draadvormige kanalen van enkele nm dik op elkaar gestapeld en omsluit de gate ze over de volledige omtrek. Omdat het van vier kanten wordt bestuurd, is de controle van de gate nog sterker dan bij de FinFET en worden korte-kanaaleffecten tot kortere gatelengtes onderdrukt. Samsung paste het toe bij de 3 nm-generatie (2022), TSMC bij de 2 nm-generatie en Intel bij de 18A-generatie, en het is de volgende standaardstructuur na de FinFET geworden.

Welke uitspraak over de manier om de effectieve kanaalbreedte van een FinFET in te stellen is juist?

  1. AZe wordt ingesteld via het aantal vinnen, dus de kanaalbreedte kent discrete waarden
  2. BZe wordt ingesteld via de grootte van de gatespanning
  3. CZe kan zoals bij het planaire type op elke continue waarde worden gezet
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Ze wordt ingesteld via het aantal vinnen, dus de kanaalbreedte kent discrete waarden

Bij een FinFET liggen hoogte en breedte van de vinnen door het proces vast, dus de kanaalbreedte wordt ingesteld via het aantal vinnen en is een discrete waarde van 'zoveel vinnen' (breedtekwantisering). Het is daardoor moeilijk om in analoge schakelingen subtiele stroomverhoudingen te maken of de sterkteverhouding van de transistoren van een SRAM-cel fijn in te stellen, wat een ontwerpbeperking vormt. Nanosheet-GAA verzacht deze beperking.

  1. Welk ontwerpvoordeel van nanosheet-GAA-transistoren ten opzichte van FinFET's is juist?
  2. Waarom wordt bij de productie van nanosheet-GAA-transistoren uit de laag van afwisselend gestapeld Si en SiGe alleen de SiGe-laag selectief verwijderd?
  3. Welke combinatie van bedrijf en generatie die de FinFET (door Intel Tri-Gate genoemd) als eerste in een logisch product voor massaproductie toepaste, is juist?

Oefenvragen over Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA)

Belangrijke termen uitgelegd

FinFET
Driedimensionale transistor waarin de gate het als vin rechtopstaande kanaal vanaf drie zijden omsluit. Onderdrukt kortekanaaleffecten gemakkelijker.
GAA (gate-all-around)
Transistorstructuur waarin de gate het kanaal van alle kanten omsluit. Betere stroombeheersing dan FinFET en wordt gebruikt in de generatie na FinFET.
Nanosheet
GAA-transistorstructuur waarin meerdere dunne, plaatvormige siliciumkanalen verticaal op elkaar zijn gestapeld en elk door de gate worden omsloten. De stroom is af te stellen via de breedte van de sheets.

Verwante vergelijkingen