VTFET: IBMs vertikale Transistoren verdoppeln Performance

Durch einen neuartigen Aufbau soll die Leistung extrem steigen oder der Energiebedarf enorm sinken. Erste Test-Wafer hat IBM schon.

Artikel veröffentlicht am 15. Dezember 2021, 7:53 Uhr, Marc Sauter

Vertical Transport Field Effect Transistor (links) vs FinFet Transistor (rechts) (Bild: IBM)

IBM und Samsung haben den Vertical Transport Field Effect Transistor, kurz VTFET, entwickelt. Verglichen zu aktuellen FinFet-Transistoren soll das neue Design entweder die Performance verdoppeln oder aber bei gleicher Geschwindigkeit die Leistungsaufnahme um 85 Prozent reduzieren.

Bei heutigen FinFet-Transistoren fließt der Strom von einer Seite zur anderen, was den Contacted Gate Pitch (CGP) zwischen Quelle und Abfluss samt dem dazwischen liegenden Durchgang trotz immer feinerer Herstellung physisch begrenzt. Mit der vertikalen Orientierung der VTFETs wird dieses Problem gelöst, zumal die ebenfalls Platz benötigenden und isolierenden Dummy-Gates mit wegfallen.

Die Simulation von IBM basiert dabei auf einem VTFET und einem FinFet-Transistor gleicher Fläche, wobei Letzterer einen Gate Pitch von unter 45 nm aufweisen soll; das wäre weniger als das, was für TSMCs N5 geschätzt wird - offizielle Zahlen gibt es nicht. IBM hebt hervor, dass der VTFET hinsichtlich der Elektrostatik und der parasitären Leckströme deutlich besser abschneide.

Nanosheets bereits enthalten

Dabei gilt zu beachten, dass es sich beim Vertical Transport Field Effect Transistor genau genommen um einen Vertical Transport Nanosheet Field Effect Transistor handelt - das Nanosheet respektive Nanowire macht den Unterschied. Solche Transistoren werden auch als GAA (Gate All Around) bezeichnet, da der Durchgang von allen Seiten statt nur von dreien umschlossen ist. Einen entsprechenden 2-nm-Testchip präsentierte IBM vor einigen Monaten.

Verglichen zum aktuell besten 7-nm-Verfahren soll 2 nm GAA die Performance um 45 Prozent steigern oder die Leistungsaufnahme um 75 Prozent verringern, was die Vorteile des VTFETs relativiert, da dessen Design bereits ähnliche Verbesserungen enthält.

Ungeachtet dessen würde es selbst mit kommenden Full-Nodes viele Jahre dauern, solche Sprünge zu erreichen: So soll TSMCs N3 verglichen mit N5 eine bis zu 15 Prozent höhere Geschwindigkeit bei gleicher Leistungsaufnahme oder aber die gleiche Performance bei bis zu 30 Prozent weniger Energiebedarf aufweisen.

Ob und wann VTFETs eingesetzt werden, bleibt vorerst offen. Erste Test-Wafer hat IBM schon, auch Samsung Foundry dürfte darauf Zugriff haben. Zudem gibt es mit Intel einen Partner, der ebenfalls von dieser Forschung profitieren könnte.