Introducción
En artículos anteriores os hablé de la tecnología MOSFET, que podéis revisar aquí. A través de los MOSFET convencionales, se vio que la tecnología acabaría por impedir un mayor grado de integración, sin que ello afectara al rendimiento.
De esta forma, apareció una nueva necesidad, la de la aparición de una nueva tecnología de transistores: así nacería la tecnología FinFET.
Origen del FinFET
FinFET viene de la abreviatura de Fin Field Effect Transistor, y define a la perfección lo que es: un transistor de efecto campo de aleta, todo igual que un MOSFET excepto por lo de aleta.
Para comprender a qué se refiere con esa “aleta”, estudiaremos primero la composición química del dispositivo así como su geometría espacial, muy diferente a un MOSFET. Empecemos.
Aparentemente, tiene las mismas partes que un MOSFET: sustrato, puerta, drenador, sustrato, el aislante… y efectivamente las tiene. En cambio, y aquí es donde hacemos zoom, la distribución geométrica es completamente diferente.
Veremos que la estructura, además de ahora ser un transistor en 3D, aparecen los terminales (Drain y Source, o drenador y fuente) como unas aletas, fruto también de esta tridimensionalidad. Veamos a qué es debida.
El problema del MOSFET
Normalmente se suele decir que uno no cambie algo si funciona bien. Y es que veremos que el MOSFET tiene un problema que, de forma categórica, obligó a los fabricantes a cambiar de tecnología.
Un MOSFET, como ya abordamos en el anterior artículo, tiene la siguiente distribución. Si le damos protagonismo a la puerta, observamos que esta es la que, en función de la diferencia de tensión frente al sustrato, permite un mayor o menor flujo de electrones.
De esta forma, el canal se forma por efecto campo (de ahí el apodo FET) y la corriente puede ser establecida entre drenador y fuente, con un gran pero: si intentamos reducir tamaño, el control sobre la puerta empeorará.
La tecnología impide reducir el “Length” (L) pues al aproximar S y D, puede impedir que llegue al corte, con lo que se producirían corrientes subumbrales y se establecería un canal sin realmente desearlo. ¡Esto sería un desastre!
Así, una disminución de esta longitud, empobrece la capacidad de control sobre la puerta, imposibilitando regular correctamente las corrientes a través de él y así también la posibilidad de aumentar la integración llegado a cierto umbral. Veamos las figuras 3 y 4:
- Con la longitud L del canal suficientemente grande permite buena conducción de los electrones por el canal.
- Con la longitud L del canal demasiado pequeña empeora el control de los electrones sobre el canal.
La solución del FinFET: “Wrapping” de Puerta
Visto ya el problema, es momento de darle solución. ¿Cómo? Una posible es incorporando el conocido como “wrapping” de puerta, es decir, una puerta envolvente, dando lugar a los conocidos como transistores 3D.
Los transistores MOSFET son conocidos por ser planos (2D), debido a que en un mismo plano puede observarse perfectamente su funcionamiento, con los terminales de drenador, fuente, puerta y sustrato.
La puerta de los transistores MOSFET se encontraba situada en un plano superior a los terminales de fuente y drenador, y separados de estos por un aislante (normalmente un óxido).
En cambio, en un transistor FinFET la puerta se encuentra como envolviendo a los terminales (wrapping), que aparecen geométricamente como una especie de aletas (fin‘s en inglés). El canal aparece ahora visible en forma tridimensional.
De esta forma, vemos como los terminales ahora se encuentran aislados mutuamente (igual que en un MOSFET) pero, a través de la puerta propiamente dicha (que ahora es un volumen 3D), permite la formación del canal entre los terminales.
La figura 6 describe a la perfección lo que está sucediendo, donde el FinFET no es más que un MOSFET donde las aletas han decidido emerger de su plano y el canal le ha ganado terreno a la puerta, ¡Toda una revolución!
Proceso de fabricación de un FinFET
Entenderemos aún mejor esta tecnología cuando desensamblemos su proceso de fabricación. Pongámonos manos a la obra:
- Formación del sustrato: Como cualquier oblea, esta está formada por silicio de cristal puro y está recubierta por un aislante (por ejemplo silicio policristalino) que lo protege.
- Formación de las aletas: se pasa por un proceso de aniquilación del volumen de silicio que queramos, con el fin de dimensionar las aletas hacia nuestros requisitos.
- Deposición de óxido: así, podemos aislar mejor las aletas con el fin de maximizar el número de conjuntos de ellas que podemos colocar (nº de transistores) en un mismo sustrato.
- Grabado del hueco: ahora retiramos la cantidad de óxido que sobre con el fin de dejar al descubierto las aletas de la fuente y el drenador.
- Instalación de la puerta: instalamos la puerta de forma que corte perpendicularmente a las aletas longitudinales, permitiendo formar el canal volumétrico en el seno de estos tres componentes (S, D y G).
- Finalmente, se añade por implantación las concentraciones de n+ o p+ para S y D (se dopa la zona de drenador y fuente, según sea n o p).
Observamos que cada transistor tiene dos aletas así como sus compuertas de control, y variando el espesor de ellas, le otorgamos más volumen para regular la puerta, con menos pérdidas y más velozmente que un MOSFET.
Limitaciones: No es oro todo lo que reluce
Ahora bien, para conseguir un proceso litográfico de menor tamaño, esto es, grabar un circuito en particular en una oblea con más transistores por unidad de volumen, la cosa no es tan sencilla: existe también un mínimo teórico para que los FinFET funcionen correctamente.
Si hacemos las aletas demasiado estrechas en área, entonces puede llegar a perderse el control (como sucedía en MOSFET en 2D), dejando de funcionar correctamente el complejo sistema de transistores al no responder bien a las señales de tensión de LOW y HIGH.
Intel, TSMC y otros fabricantes llegaron en torno al 2010 a la solución llamada Pitch to shrink, y consiguieron llega a tecnologías de hasta 14 nm en sus procesadores. Aún así, bajar de esas dimensiones es imposible sin afectar al rendimiento.
Una nueva tecnología se hace necesaria
De esta forma, han aparecido alternativas a raíz de la propuesta de TSCM, la compañía taiwanesa líder del sector, y que consiste en apilar verticalmente (y no horizontalmente como en los FinFET) los terminales.
Así, dado su parecido al de un libro con sus hojas, esta tecnología ha recibido el buen nombre de Nanosheet (nano hojas), aunque también aparecen alternativas como los Nanowires (nano cables), donde aumenta considerablemente la integración.
En la figura anterior vemos la comparativa entre las 2D (MOSFET) y las 3D (FinFET, Nanowire y Nanosheet), y aunque todavía siguen en desarrollo estas dos últimas, prometiendo escalas inferiores a los 10 nm.
Además, promete tener aún menores pérdidas, aumentando el rendimiento de forma considerable. Al menos de momento, prometen ser el camino a seguir para continuar cumpliendo la Ley de Moore.
Aplicaciones de los FinFET
No olvidemos que no deja de ser un transistor, simplemente con nueva tecnología más o menos rápida, con lo que sus aplicaciones son exactamente las mismas que las de otros compatriotas electrónicos.
Así, cuando una tecnologia como la FinFET aparece, desbanca en gran parte a tecnologías más antiguas (MOSFET estándar por ejemplo), igual que la misma probablemente terminaría desapareciendo con las Nanosheet o Nanowire.
Lo único que puede hacer que más de una tecnología sobrevivan es la variación del precio de fabricación de una, o alguna otra prestación en particular en la que destaque sobradamente (velocidad de conmutación, energía consumida…)
En la figura 13, se ve como a una misma tensión Drenador-Fuente, la corriente por el canal es muy superior en un FinFET. Además, su uso optimización de energía es un 150% mejor y su velocidad un 30% más alta.
A los FinFET actualmente los podemos encontrar en memorias SSD/Flash, memorias RAM/DDRAM, y muchos microprocesadores (prácticamente todos los Intel desde 2012), entre otros.
Ya para terminar, dejamos el álbum de familia de la primera generación de Intel que incorporaba los FinFET en sus microprocesadores: la famosa familia Ivy Bridge con tecnología de 22nm.
la famosa Ivy Bridge
Bibliografía
- FinFET, ¿El futuro?
- FinFET Technology
- Fabricación de un microprocesador
- Nanosheet
- Fotolitography
- Apuntes de la asignatura Circuitos Integrados, Rafael Escaño Quero – Universidad de Málaga
Manuel Ferreira Lorenzo
Me gradué en Ingeniería en Tecnologías Industriales por la Universidad de Málaga y la Universidad de Vigo. Ahora estudio Física en King’s College London.
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