IBM рассказала, в чём секрет вертикальных транзисторов VTFET

В минувший понедельник компании IBM и Samsung представили вертикальный транзистор VTFET, который заявлен как прорыв в области производства полупроводников. Благодаря переходу на вертикальные транзисторы можно будет в два раза повысить производительность схем или на 85 % снизить их потребление. Но главное, транзисторы VTFET позволят наращивать плотность элементов на кристалле и продлят действие закона Мура. IBM пояснила, как это будет работать.

Современные транзисторы FinFET и даже перспективные GAAFET с кольцевым охватом канала сохранили одну общую и важную черту в строении, которая появилась ещё в бытность изготовления планарных транзисторов. Каналы транзисторов, а также их стоки и истоки располагались, располагаются и будут располагаться в толще кристалла в горизонтальной плоскости (для транзисторов GAAFET добавятся поднятые над уровнем кристалла листовидные каналы, но суть это не меняет). Важнейшим следствием такого строения является то, что транзисторы приходится либо держать на отдалении друг от друга, либо изолировать их в случае достаточно тесного расположения. В любом случае существует предел уплотнения, ниже которого шагнуть просто нельзя.

IBM и Samsung предложили простое инженерное решение. Они разнесли сток и исток транзистора на разные уровни по высоте — расположили один под другим. Тем самым транзисторный канал поменял физическую ориентацию и направление переноса тока с горизонтальных на вертикальные. Вертикальная ориентация канала и разноуровневое размещение стоков и истоков позволили увеличить токи через транзистор и оптимизировать внутрисхемную изоляцию, в частности, снизить токи утечек.

При вертикальном расположении канала также можно варьировать его длину и сечением, создавая транзисторы с нужными характеристиками. При этом мы не забираем драгоценное место на кристалле и не жертвуем плотностью размещения элементов на нём. Для затворов вертикальных транзисторов (на самом первом изображении затвор выделен синим цветом) также остаётся простор по геометрии и току, что также расширяет выбор характеристик как по производительности, так и по потреблению.

На кусочке кремния размером с ноготь IBM обещает размещать до 50 млрд вертикальных транзисторов, что остаётся мечтой для современных техпроцессов и техпроцессов ближайшего будущего.

Вы скажете, что это настоящий прорыв. А мы напомним, что ещё три года назад настоящий прорыв совершили инженеры из бельгийского исследовательского центра Imec. Они предложили и испытали техпроцесс вертикального изготовления сразу комплементарной пары транзисторов. На фоне предложения бельгийцев VTFET выглядит предельно простым и скромным решением. Впрочем, простое решение легче ввести в практику и внедрить в массовое производство. В любом случае, тенденция налицо — электроника карабкается вверх, а не вширь.