Der Gate-All-Around Transistor

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

   • Was ist ein Transistor?
   • Halbleitermaterial und Feldeffekttransistor (MOSFET)

2. Kurzkanaleffekte

   • Schwellenspannung und Subschwellenleckage
   • Drain-induced Barrier Lowering (DIBL)

3. Mehrere Gates

   • Notwendigkeit für Mehrfachgates
   • Entwicklung von FinFETs

4. Gate All Around

   • Konzept des GAAFET
   • Nanodrähte und Nanobleche

5. Herstellung eines GAAFETs

   • Prozessfluss für GAAFETs
   • Herausforderungen und Innovationen

6. Vorteile von GAAFETs

   • Leistungsersparnis und Geschwindigkeit
   • Dichte und Effizienz

7. Wettlauf zum Gate

   • Dominanz von TSMC
   • Wettbewerb zwischen TSMC, Samsung und Intel

8. Fazit

   • Zukunftsaussichten der Transistortechnologie

Einführung

Was ist ein Transistor? Ein Transistor ist im einfachsten Sinne ein Schalter, der aktiv gesteuert wird. Es besteht aus einer Quelle und einer Senke, die aus Dotierungsregionen von Silizium mit einem Dotierungselement bestehen, das mithilfe eines Ionenstrahls implantiert wird. Dieser Prozess wird als Ionenimplantation bezeichnet. Zwischen der Quelle und der Senke befinden sich das Gate und das Gateoxid. Diese sitzen oben auf dem Kanal und steuern ihn durch ein Phänomen namens "kapazitive Kopplung". Wenn das Gate eine bestimmte Spannung - die sogenannte Schwellenspannung - erhält, schaltet es "ein" oder "öffnet". Dies ermöglicht den Fluss von Elektronen oder Elektronenlöchern von der Quelle zur Senke entlang des Kanals. Diese Kontrolle der Leitfähigkeit eines Materials für solche Teilchen wird als "Feldeffekt" bezeichnet. So erhält der Halbleiter seinen Namen. Das Halbleitermaterial leitet nur einen Teil der Zeit - daher der "semi". Und der Transistor, der den "Feldeffekt" verwendet, ermöglicht es uns, ihn als Feldeffekttransistor zu bezeichnen. Einige der ersten Gates wurden aus Metall hergestellt - obwohl viele Gates heute aus polykristallinem Silizium bestehen, das kein Metall ist. Das Metallgate und das Gateoxid zusammen geben uns "Metalloxid". Also haben wir insgesamt den "Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor", oder MOSFET.

Kurzkanaleffekte

In einer perfekten Welt schaltet der Transistor sofort um. Und wenn das Transistorgate geschlossen ist, fließt kein Strom durch ihn. Und wenn das Gate geöffnet ist, gibt es keinen Widerstand, der den Fluss verlangsamt. Aber unsere Welt ist unvollkommen. Und obwohl ich gerne Sage, dass gerade daraus viel ihrer Schönheit kommt ... wenn es um Transistoren geht, verlangen wir doch irgendwie nach Perfektion. Nach Jahrzehnten des Schrumpfens der Größe des ursprünglichen planaren MOSFETs begannen wir, eine Reihe von sogenannten Kurzkanaleffekten zu erleiden. Kurzkanaleffekte treten in zwei Formen auf. Erstens die Schwellenspannung oder die Spannung, bei der das Gate öffnet und den Strom zwischen Quelle und Senke erzeugt. Als der Kanal länger war, war die Schwellenspannung konstant und unabhängig von externen Faktoren. Aber als der Kanal kürzer wurde, stellten wir fest, dass die Schwellenspannung nicht mehr konstant und unabhängig war. Stattdessen nahm sie ab - oder "fiel ab" - während der Kanal verkürzt wurde. Dies verschlimmert wiederum etwas, was als "Unterschwellenleckage" bezeichnet wird. Wenn die Spannung des Gates unter die Schwellenspannung fällt, soll es den Strom zwischen Quelle und Senke sauber abschalten. Das passiert nicht immer, und der Reststrom - wie ein tropfender Wasserhahn - wird als "Unterschwellenleckage" bezeichnet. Je niedriger die Schwellenspannung ist, desto höher wird wiederum die Unterschwellenleckage. Die zweite Haupterscheinung von Kurzkanaleffekten in einem Transistor ist das "Durch Drain verursachte Barrieresenken" oder DIBL. Dabei liegen Quelle und Senke so nah beieinander, dass Elektronen aus der Quelle in die Senke diffundieren können - oft indem sie unter dem Gate hindurch graben wie ein Kaninchen. DIBL führt zu einem winzigen parasitären Stromfluss, sodass der Transistor Strom verbraucht, auch wenn er im "Standby" ist und nichts tut. Multiplizieren Sie diese beiden Kurzkanaleffekte über Milliarden von Transistoren, und Sie haben ein ernsthaftes Problem mit dem Stromverbrauch.

Mehrere Gates

Kurzkanaleffekte entstehen durch Störungen durch die elektrischen Felder, die von der Quelle und der Senke ausgehen. Das ursprüngliche planare Gate sitzt oben auf dem Kanal - berührt ihn nur auf einer Seite. Ein elektrisches Feld projiziert von diesem planaren Gate in eine Richtung - nach unten durch den Kanal und in das Silizium. Das kontrolliert das Verhalten des Kanals. Aber die Quelle und die Senke projizieren ihre eigenen elektrischen Felder, und diese dringen horizontal in den Kanal ein - "stehlen" die Kontrolle des Gates weg. Irgendwie wie laute Gespräche von Ihren Nachbarn in einer Bar, die Ihre Versuche stören, süße romantische Dinge zu Siri zu sagen. Die Branche wusste jahrelang, dass das kommen würde. Aber lange Zeit konnten sie die Kurzkanaleffekte durch Absenken der Spannung, starke Dotierung des Kanals oder Reduzieren der Tiefen der Quelle und der Senke abmildern. Ein weiterer großer Schritt war der Ersatz des Gateoxids durch sein früheres Siliziumdioxid durch eines mit einer höheren Dielektrizitätskonstante oder K. Dies verstärkt die Kapazität des Gates und macht das vom Gate projizierte elek