Nederlands
Menu

Planaire MOSFET versus FinFET: waarom de industrie is overgestapt

Een planaire MOSFET heeft de gate boven een vlak kanaal, en de gate stuurt het kanaal maar van één kant. Bij gatelengtes korter dan ongeveer 20 nm werd de invloed van de drain op het kanaal te groot, waardoor lekstroom en short-channel-effecten toenamen. Een FinFET heeft het kanaal als dunne, opstaande vin, die de gate aan drie zijden omsluit, waardoor de controle veel sterker is. Daarom is de logica vanaf de 22 nm- en 16/14 nm-generaties overgestapt van planair op FinFET.

KenmerkPlanaire MOSFETFinFET
StructuurDe gate ligt boven een vlak kanaalDe gate omsluit drie zijden van een dunne, opstaande siliciumvin
GatecontroleVan één kant. Zwak bij korte gatesVan drie kanten. Veel sterker
Short-channel-effecten (DIBL enzovoort)Ernstig bij kleine afmetingenSterk onderdrukt
LekstroomGroot bij verkleinde devicesKlein
Subthreshold swingWordt slechter met verkleiningDicht bij het ideaal van ongeveer 60 mV/decade
Aandrijfstroom per voetafdrukKleinGroot. De kanaalbreedte omvat beide zijkanten en de bovenkant van de vin
Dotering van het kanaalZwaar. Willekeurige variatie van doteringsatomen treedt opLicht of niet gedoteerd. Minder variatie
Afstellen van de breedteContinu. Elke breedte is te tekenenDiscreet. Bepaald door het aantal vinnen
FabricageEenvoudig en goedkoopComplex. Patroonvorming van vinnen en vorming van een 3D-gate
Huidig gebruikVolwassen nodes (28 nm en groter). Analoog, microcontrollers, RF, IoTGeavanceerde logica van 16/14 nm tot ongeveer 3 nm

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

Wanneer welke variant?

Planair
Wanneer kosten belangrijker zijn dan de laatste snelheidswinst en de kleinste nodes niet nodig zijn. Analoog, mixed-signal, veel microcontrollers.
FinFET
Wanneer prestaties en lage lekstroom bij kleine afmetingen onmisbaar zijn. Processors voor smartphones, pc's en datacenters.

Veelgestelde vragen

Waarom konden planaire transistors niet verder worden verkleind?

Bij gatelengtes korter dan ongeveer 20 nm wordt de invloed van de drain op het kanaal te groot (short-channel-effecten zoals DIBL), waardoor er lekstroom ontstaat die een gate aan één kant niet kan tegenhouden.

Hoe vermindert een FinFET de lekstroom?

De gate omsluit drie zijden van de dunne, opstaande vin, waardoor het kanaal beter wordt gecontroleerd en de transistor vollediger wordt uitgeschakeld.

Is planaire technologie verouderd?

Nee. Bij volwassen nodes van 28 nm en groter wordt planair nog steeds gebruikt voor analoge chips, microcontrollers, RF en IoT, waar kosten zwaar wegen.

Waarom hoeft het kanaal van een FinFET niet te worden gedoteerd?

Door de sterke gatecontrole hoeft het kanaal niet zwaar te worden gedoteerd, waardoor willekeurige variatie van doteringsatomen wordt vermeden en de variatie tussen transistors afneemt.

Test uw begrip

Welk verschijnsel is een kortekanaaleffect van MOSFET's?

  1. ABij een kortere gatelengte wordt de gatecapaciteit oneindig
  2. BBij een kortere gatelengte wordt de mobiliteit van het kanaal altijd 2 keer zo groot
  3. CBij een kortere gatelengte daalt de drempelspanning en neemt de lekstroom in de uit-toestand toe
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Bij een kortere gatelengte daalt de drempelspanning en neemt de lekstroom in de uit-toestand toe

Naarmate de gatelengte korter wordt, worden de uitputtingsgebieden van source en drain relatief groter en gaan source en drain in plaats van de gate een deel van de lading in het kanaal bepalen. Daardoor treden onder meer een daling van de drempelspanning (roll-off), een door de drainspanning veroorzaakte daling van de drempelspanning (DIBL), een verslechtering van de subthreshold-coëfficiënt en een toename van de lekstroom in de uit-toestand op. Een probleem is ook dat een kleine verandering van de gatelengte door productiespreiding de eigenschappen sterk verandert.

Welke uitspraak over DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) is juist?

  1. AHet verschijnsel dat de gate-isolator in de loop van de tijd doorslaat
  2. BHet verschijnsel dat metaalatomen in bedrading door stroom verplaatsen
  3. CHet verschijnsel dat de potentiaalbarrière aan de sourcezijde lager wordt naarmate de drainspanning hoger is, waardoor de drempelspanning daalt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het verschijnsel dat de potentiaalbarrière aan de sourcezijde lager wordt naarmate de drainspanning hoger is, waardoor de drempelspanning daalt

Bij een korte gatelengte reikt het elektrische veld van de drain tot dicht bij de source en verlaagt het de potentiaalbarrière tussen source en kanaal. Daardoor daalt de drempelspanning naarmate de drainspanning hoger is en neemt de lekstroom in de uit-toestand toe. DIBL wordt uitgedrukt als 'verandering van de drempelspanning per 1 V drainspanning (mV/V)' en wordt bij geavanceerde transistoren beperkt tot enkele tientallen mV/V of minder. In versterkerschakelingen is het ook een oorzaak van een lagere uitgangsweerstand.

Welke eis wordt over het algemeen gesteld aan de breedte van de vin om korte-kanaaleffecten bij een FinFET voldoende te onderdrukken?

  1. AZe mag onafhankelijk van de gatelengte worden gekozen
  2. BZe moet ruim breder zijn dan de gatelengte
  3. CZe moet smaller zijn dan de gatelengte
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Ze moet smaller zijn dan de gatelengte

Hoe smaller de vin, hoe beter het elektrische veld van de gates aan beide zijden tot het midden van de vin reikt en hoe beter de lekstroom door delen ver van de gate wordt onderdrukt. Als vuistregel moet de breedte van de vin de helft van de gatelengte tot ongeveer gelijk daaraan of kleiner zijn, en bij geavanceerde generaties zijn vinnen smaller geworden tot circa 5 tot 7 nm. Als ze te smal worden, ontstaan echter problemen met verschuiving van de drempelspanning door kwantumopsluiting, lagere mobiliteit door verstrooiing aan het oppervlak en spreiding in de bewerking.

  1. Hoe is de subthreshold-coëfficiënt (SS) in het algemeen veranderd door de overgang van planaire transistoren naar FinFET's?
  2. Welke uitspraak over een structureel kenmerk van de FinFET is juist?
  3. Welke uitspraak over de 'schaallengte (natuurlijke lengte) λ', die wordt gebruikt om de sterkte van korte-kanaaleffecten te schatten, 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.
Korte-kanaaleffect
Verschijnsel waarbij bij een kortere gatelengte de drempelspanning daalt door de invloed van het drainveld en de lekstroom in de uit-toestand toeneemt.
DIBL
Afkorting van Drain Induced Barrier Lowering. Bij een MOSFET met kort kanaal daalt de potentiaalbarrière aan de sourcezijde naarmate de drainspanning hoger is, waardoor de drempelspanning daalt. Verhoogt de lekstroom in de uit-toestand.

Verwante vergelijkingen