Rapidusのトランジスタ製造技術（1）：プレーナー型、FinFET型 と ゲート オール アラウンド型
概説
IBM は、2021年5月6日に、半導体設計とプロセスの大幅な進歩となる世界初の 2 ナノメートル (nm) チップ技術を発表しました。 このテクノロジーは、IBM の第 2 世代ナノシート テクノロジーに基づいており、Gate-All-Around (GAA) ナノシート デバイス アーキテクチャが組み込まれています。 この開発により、爪ほどの大きさの領域に 500 億個のトランジスタを配置することが可能となり、既存の半導体技術と比較して性能とエネルギー効率が大幅に向上する可能性があります。半導体技術の文脈における「ナノシート」とは、非常に薄い半導体材料の層を指します。これは通常、数ナノメートルの厚さしかありません。この用語は、特に最先端のトランジスタ設計においてよく使用されます。
従来のFET（フィールド効果トランジスタ）では、トランジスタを流れる電流を「ゲート」と呼ばれる部品で制御します。このゲートは電流をオンまたはオフにすることができます。トランジスタをより小さくして、1つのチップにより多くのトランジスタを搭載し（より高速で効率的な性能を実現するため）、この電流の制御がますます困難になっています。
ナノシート構造は、以前のトランジスタアーキテクチャであるFinFET（フィン形電界効果トランジスタ）の進化形です。FinFETでは、ゲートが「フィン」と呼ばれる突起部分の3面を囲んでいます。ナノシート設計はこれをさらに進め、ゲート材料が平らでシート状のチャンネルを完全に囲むようにしています。この「ゲート・オール・アラウンド」（GAA）アプローチにより、特に非常に小さな寸法のトランジスタにおいて、電流の制御が向上し、性能とエネルギー効率が改善されます。
ナノシートトランジスタの開発は、トランジスタのサイズを小さくしながら性能を維持または向上させるという半導体製造における継続的な目標の一部です。IBMの2nmノードチップのような最先端技術で使用されるナノシートトランジスタは、より小型で効率的なデバイスにより多くのパワーを詰め込む能力において、重要な進歩を表しています。
プレーナ半導体技術を使用した集積回路 (IC) と FinFET 技術を使用した集積回路 (IC) とナノシート構造を比較するには、半導体設計と性能のいくつかの重要な側面を検討する必要があります。 詳細な比較は次のとおりです。
プレーナー型
１。構造: プレーナートランジスタの技術では、トランジスタは平坦な 2 次元平面にレイアウトされます。 トランジスタのゲートは半導体表面の真上にあります。
２。性能とスケーリング: プレーナ トランジスタは何十年にもわたって IC のバックボーンでしたが、より小さなサイズに縮小されると、その性能は低下し始めます。 これは、リーク電流の増加や、非常に小さなトランジスタにおける電子の流れの制御の難しさなどの問題が原因です。
３。消費電力: プレーナ型トランジスタは、特に小型化されるにつれてリーク電流が高くなる傾向があります。 これは消費電力の増加につながり、バッテリ駆動のデバイスにとっては不利になる可能性があります。
４。製造の複雑さ: プレーナー トランジスタの製造は、技術の成熟度を考えると比較的単純でよく理解されています。
５。コスト: プレーナ技術は、より単純な製造プロセスと確立された技術により、特にトランジスタサイズが小さい場合に、よりコスト効率が高くなります。
FinFET 型
FinFETでは、ゲートが「フィン」と呼ばれる突起部分の3面を囲んでいます。
１。構造: FinFET は「Fin Field-Effect Transistor」の略です。 この設計では、導電チャネルが基板の上に盛り上がって薄い「フィン」を形成します。 ゲートはこのフィンの 3 つの側面を包み込み、チャネルの制御を向上させます。
２。性能とスケーリング: FinFET を使用すると、性能を維持しながらトランジスタ サイズをさらに縮小できます。 これらはチャネル内の電流をより適切に制御し、リークを低減し、最新の高性能 IC にとって重要なスイッチング速度を向上させます。
３。消費電力: FinFET は一般に、プレーナ型トランジスタと比較してリーク電流が低いため、消費電力が低くなります。 これは、ハイパフォーマンス コンピューティングやモバイル デバイスにとって特に有益です。
４。製造の複雑さ: FinFET の製造はプレーナー型トランジスタと比べてより複雑で、より高度な技術が必要です。 この複雑さは、ノード サイズが小さくなるほど (7nm、5nm など) 増加します。
５。コスト: FinFET に必要な高度な製造プロセスと装置により、特にノード サイズが小さい場合、製造コストが高くなります。
ゲート・オール・アラウンド型
IBM による世界初の 2 ナノメートル (nm) チップ技術の開発は、半導体設計とプロセスにおける大きな進歩を表しています。 この進歩は、IBM の第 2 世代ナノシート技術を使用して達成されました。 この技術の中心となるゲートオールアラウンド (GAA) ナノシート デバイス アーキテクチャにより、爪ほどのサイズの領域に 500 億個のトランジスタを配置できます。IBM の GAA テクノロジーの主な側面は次のとおりです。
１。ナノシート アーキテクチャ: 従来のナノワイヤ構造からナノシート構造への移行は極めて重要な開発でした。 このアーキテクチャにより、ナノワイヤの静電気の利点が得られると同時に、パフォーマンスの向上に必要な密度も提供されます。
２。水平スタック ゲートオールアラウンド 設計: このテクノロジーのトランジスタ アーキテクチャには、新しいタイプの水平スタック GAA チップ設計が含まれています。 この設計には、トランジスタ上に 4 つのゲートが含まれており、優れた電気信号がチップ上の他のトランジスタを通過したり、他のトランジスタ間を通過したりできるようになります。
３。トランジスタ構造の進歩: IBM のアプローチには、トランジスタ アーキテクチャへの内部スペーサ モジュールの導入が含まれていました。これは、ゲートとソース/ドレイン間の容量を削減し、GAA デバイスの有効ゲート長を定義するために重要です。 さらに、新しいドライ内部スペーサー プロセスが開発され、1 nm 未満のプロセス制御と改善された内部スペーサー プロファイルが提供されました。
４。下部誘電体分離: 業界初のこの機能は、わずか 20 個の原子に相当する 12 nm のゲート長の実現に貢献しました。 完全な底部誘電体分離には、サブチャネルのリークを低減し、プロセス変動に対する耐性を提供するなど、さまざまな利点があります。
５。極端紫外線 (EUV) リソグラフィーの使用: IBM は、フロントエンド・オブ・ライン (FEOL) プロセスに EUV リソグラフィーを実装し、ナノシート幅の正確な制御を可能にしました。 この進歩により、低電力設計と高性能設計を同じチップ上に統合することが容易になります。
６。マルチ閾値電圧 (Multi-Vt) デバイスの提供: 2 nm トランジスタのこの革新により、さまざまなリーク レベルが可能になり、デバイス メーカーはチップ アーキテクチャに適切な性能レベルを選択できるようになります。
2 nm チップ技術は、既存の半導体技術に比べて大幅な改善をもたらします。 最先端の 7 nm ノード チップと比較して、45% 高いパフォーマンスまたは 75% 低いエネルギー使用量を達成すると予測されています。 これらの先進的な 2 nm チップの利点は、携帯電話のバッテリー寿命の向上、データセンターの二酸化炭素排出量の削減、ラップトップや自動運転車の高速かつ効率的なコンピューティングへの貢献など、さまざまな分野に大きな影響を与える可能性があります。
この成果は、半導体イノベーションにおけるIBMの長年にわたる遺産の一部であり、この分野での継続的な進歩とコラボレーションによって特徴づけられています。
結論
プレーナー型、FinFET型、ゲートオールアラウンド（GAA）型のトランジスタは、それぞれ異なる構造と性能特性を持っています。これらの技術の比較を以下に示します：
プレーナー型トランジスタ
- 構造: 伝統的な平面（プレーナー）構造で、トランジスタのゲートは半導体表面の直上に配置されます。
- 性能とスケーリング: 小型化に伴い、リーク電流の増加や電子の流れを制御することの困難さなどの問題が発生します。
- 消費電力: 小型化されたプレーナー型トランジスタはリーク電流が増加する傾向にあり、それにより電力消費が増えることがあります。
製造の複雑さ: 製造プロセスは比較的単純で、確立された技術に基づいています。
FinFET型トランジスタ
- 構造: 「フィン」と呼ばれる3Dトランジスタで、ゲートがフィンを取り囲むように配置されています。
- 性能とスケーリング: フィンの構造により、プレーナー型よりも小型化が可能であり、リーク電流を減らし、スイッチング速度を向上させることができます。
- 電力消費: FinFETはプレーナー型に比べてリーク電流が少なく、全体的に電力効率が良いです。
- 製造の複雑さ: プレーナー型に比べると製造は複雑で、より高度な技術が必要です。
ゲートオールアラウンド（GAA）型トランジスタ
- 構造: GAA型では、ゲートがチャネルを全面的に囲む構造になっています。これにより、電流の制御がさらに向上します。
- 性能とスケーリング: GAA型はFinFET型をさらに進化させたもので、さらなる小型化と性能の向上が可能です。
- 電力消費: GAA型は非常に効率的な電力消費を実現し、FinFET型よりもさらに改善されています。
- 製造の複雑さ: GAA型は現在のところ最も先進的で複雑な製造プロセスを要します。
これらのトランジスタ技術は、それぞれ特定のアプリケーションや性能要件に応じて選択されます。プレーナー型は基本的でコスト効率が良いアプリケーションに適していますが、FinFETやGAA型は高性能、低電力消費を要求される先進的なアプリケーションに適しています。
