Nanohuzal tranzisztorokkal robbantana a Samsung
Már 7 nanométeren leváltaná a FinFET-et a Samsung, a vállalat mindössze két generáció után állna át a potenciális jövőt jelentő Gate-All-Around tranzisztorokra.
Egy lépéssel ugraná át konkurenseit a Samsung, a dél-koreai konglomerátum bérgyártó részlege innovációval venné magához a gyártástechnológia kormányrúdját, tömegtermelésben elsőként bevetve a GAA (Gate-All-Around), vagy más néven nanohuzal tranzisztorokat. A ma már a legtöbb bérgyártó kínálatában elérhető FinFET tranzisztorok egyik potenciális utódjának számító alternatíva több előnnyel kecsegtet, ezért cserébe viszont előbb vagy utóbb újabb kockázatot jelentő kihívásokkal kell szembenézniük a mérnököknek.
Az elmúlt pár évben egyre többet emlegetett GAA a lehetséges fejlesztési irányokból az egyik legígéretesebb, az alternatíváról korábban Mark Bohr, az Intel gyártástechnológiai fejlesztésekért felelős vezetője is elismerően nyilatkozott. A neves szakember szerint a Gate-All-Around a FinFET-nél valamelyest kedvezőbb elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, miközben a skálázhatóságot kitolja. Utóbbinak hála tovább csökkenthető a csíkszélesség, nanohuzal tranzisztorokkal 5 nanométer alá is be lehet menni, ezzel egységnyi területre még több tranzisztort besűrítve.
Az Intel által tömegtermelésben elsőként alkalmazott FinFET is hasonló megfontolásból került terítékre anno, annak egyik igen kedvező tulajdonsága ugyanis az volt, hogy a mélységi struktúra változtatásával nagyban csökkentette a rövid-csatorna effektust (short-channel effect), azaz az egyre rövidülő csatornahossz miatti nem kívánt, kikapcsolt állapotán a forrás (source) és a nyelő (drain) közötti elektronszivárgást. A FinFET esetében a forrás és a nyelő a szubsztrátumból kiemelkedő vezetéken (fin, vagy magyarul "uszony") kap helyet, amelyet három oldalán érintve satuszerűen fog közre a kapuelektróda (gate), ami így jobban "zár", ergo növeli a csatorna feletti kontrollt, hogy azon a lehető legtöbb áram folyjon át amikor a tranzisztor bekapcsolt állapotban van, és a legkevesebb, amikor ki van kapcsolva, illetve hogy a leggyorsabb legyen az átmenet ezen két állapot között.
A Samsung szerint a FinFET-ből 7 nanométer alatt elfogy a szufla, nagyjából eddig skálázható vele jól a CPP (Contacted Poly Pitch) mérete úgy, hogy nem okoz ismét komoly problémát a feljebb említett rövid-csatorna effektust. Ezt követően a réz átvezetők (interconnect) átmérőjének csökkenése miatt az RC (Resistance-Capacitance) késleltetés is jelentősen megugrik, ami az elérhető órajelre gyakorol negatív hatást. 5 nanométeren még opció lehet a FinFET, ehhez viszont azt már SOI (Silicon-On-Insulator – szilícium a szigetelőn) technológiával és/vagy szilícium-germániummal (SiGe) kellene ötvözni, ráadásul ez a kombináció is csak egy node-ig biztosítaná a fejlődés, kompromisszumokkal. Egyes vélemények szerint 5 nanométeren a kedvezőtlen kvantumhatás elkerülése nélkül már kvázi lehetetlen az "uszony" skálázása, így ez az irány a legtöbb gyártó számára nem alternatíva, ami létjogosultsággal ruházza fel a nanohuzal tranzisztorokat.
Égbe révedő informatikusok: az Időkép-sztori Mi fán terem az előrejelzés, hogy milyen infrastruktúra dolgozik az Időkép alatt, mi várható a deep learning modellek térnyerésével?
A GAA esetében a forrás (source) és a nyelő (drain) között fektetett nanohuzalok vannak, amelyeket mint egy szigetelt elektromos vezetéket, teljesen körülölel a HKMG (magas k-együtthatójú dielektrikum és fém kapuoxid) elektróda, innen a Gate-All-Around elnevezés - szemben a FinFET három oldali ölelésével. A nanohuzalok száma három vagy több lehet, átmérőjük pedig rendkívül kicsi, a gyártástechnológiákkal foglalkozó IMEC már demózott 8 nanométeres huzallal szerelt tranzisztort.
Szakemberek szerint a Gate-All-Around legnagyobb előnye, hogy az a FinFET-hez képes sokat javít a kapuhossz skálázhatóságán, amivel utat nyit az 5 nanométer alatti csíkszélességekhez, azaz a tranzisztorsűrűség további növeléséhez. Ezért cserébe viszont ismét nő a komplexitás (a költségekkel együtt), ami a már a FinFET esetében is problémát jelentett, például az UMC csak most, az Intel után bő 5 évvel jutott el oda, hogy tömegtermelésbe állítja az első ilyen node-ot. Gate-All-Around esetében a nanohuzalok és az azokat körülfogó kapuelektróda kialakítása is rendkívül bonyolult, miközben a parazita kapacitás problémáját is kezelni kell.
A Samsung szerint ezért a GAA-hoz mindenképpen szükséges a régóta várt EUV (extrém ultraibolya levilágítás), aminek bevetéséről már lassan egy éve beszél a dél-koreai vállalat, amely 7 nanométeren tömegtermelésben is kihasználja a 13,5 nanométeres hullámhosszú, extrém ultraibolya fényt. A Samsung ezt korábban azzal indokolta, hogy EUV nélkül hárommenetes (vagy akár négymenetes) levilágításra is szükség lenne az egyes rétegek előállítása során, ami hosszútávon már nagyobb kiadást eredményezne mint az EUV bevezetése. Friss hírek szerint a Samsung az átállás első köréhez összesen nyolc levilágítóberendezést rendelt, egyenként 218 millió dollár értékben.
A GAA egy viszonylag fiatal irány, nagyjából tíz éve folynak a kutatási és fejlesztési munkálatok, az ilyen, új megközelítésre gyártástechnológia bevezetéséhez pedig jellemzően több mint 10 év szükséges. A ma már széles körben alkalmazott FinFET először 1999-ben bukkant fel, a technológiát élesben elsőként alkalmazó Intel pedig először 2002-ben beszélt a háromkapus tranzisztorral kapcsolatos fejlesztéseiről, tömegtermelésbe pedig csak közel 10 évvel ezután került, vagyis az elmélet gyakorlatba átültetése hosszú éveket vesz igénybe, bizonyos esetekben pedig az sem biztos, hogy ez végül megtörténik, gondoljunk csak a 450 milliméteres szilícium ostyák örök ígéretére.
A Samsung múlt heti, a kínai CSTIC-en (China Semiconductor Technology International Conference) elhangzott állítása szerint a GAA már biztosan eljut a tömegtermelés fázisába, az ambiciózus vállalat ráadásul már jövőre beindítaná a nagy volumenű gyártást. Az egyelőre kérdéses, hogy ezzel a dél-koreai bérgyártó mekkora előnyre tehet szert, egy ilyen alapjaiban új megoldás akár fordítva is elsülhet, számtalan buktatót rejt az innováció. Amennyiben viszont a Samsung sikerrel veszi az akadályokat, úgy hosszútávon szinte biztosan előnyt kovácsolhat a merész húzásból, a FinFET napjai ugyanis meg vannak számlálva, valamilyen alternatívával elő kell majd állniuk a konkurenseknek is, hogy versenyben maradhassanak az évek óta folyamatosan komoly befektetéseket eszközlő dél-koreai vállalat mellett.
A bérgyártó várhatón május végén saját, U.S Samsung Foundry Forum rendezvényén részletezi jövőbeni terveit, amiben már a nanohuzal tranzisztor is komoly szerepet kaphat.