O que é um transistor FinFET?

Os transistores FinFET - ou Fin Field Effect Transistor - são um tipo de transistor baseado nos MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Óxido Metálico Semicondutor), mas em arranjo 3D. Seu nome se dá devido ao seu formato de uma barbatana (“fin” em inglês) no qual a trilha condutora de silício é impressa.

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Apesar de ter sido desenvolvido em 1989, ele se popularizou na fabricação de chips de computadores apenas a partir de 2012, quando a Intel introduziu os FinFET na arquitetura Ivy Bridge dos Intel Core de 3⁠ª geração. 

Desde então, os transistores FinFET se tornaram padrão em praticamente toda a indústria de chips, sendo um elemento crucial para o processo de redução de litografias e aumento de densidade de transistores em semicondutores.

O que é um transistor? 

Os transistores são componentes com propriedades de carga via campo elétrico, semelhantes às do diodo, mas com terminais que podem ser controlados, atuando como “portões” para liberar ou impedir a passagem de corrente para o registrador. 

Qual a importância de um transistor em um microchip?

O princípio básico da computação está na capacidade de codificar e decodificar informações em linguagem binária. Para isso, capacitores, componentes com propriedades condutivas que permitem armazenar carga elétrica, operam como base de registro, na qual a presença ou ausência de carga é interpretada, respectivamente, em 1 ou 0. 

Os transistores são, disparados, os elementos mais importantes de um microchip por, justamente, serem os “interruptores” que regulam a entrada ou saída de carga em um registrador. 

O que é um transistor FinFET?

Os primeiros MOSFET eram impressos em vias planas, com o portão lógico totalmente sobreposto ao substrato de silício, fazendo com cada transistor tivesse os terminais de fonte de corrente, dreno, e portão lógico, associados em série ao longo a trilha elétrica.

A tecnologia FinFET eleva uma camada fina do substrato em um formato de barbatana, fazendo com que ela tenha três superfícies diferentes em contato com o portão. Na prática, isso faz com que uma mesma barbatana tenha os três terminais do transistor em um ponto elevado específico, e não mais acomodados ao longo da trilha.

Pelo mesmo motivo, o FinFET comporta diversas barbatanas em arranjos sequenciais recobertos pelo mesmo portão. Isso permite ajustar o desempenho e potência do transistor, variando apenas o número de barbatanas em sua construção.

Arranjo em estruturas 3D empilhadas

Outra vantagem da arquitetura FinFET é que, ao reduzir a área de um transistor acomodando todos os seus terminais em um único ponto, é possível “empilhá-los” em arranjos 3D. As regiões que antes eram dedicadas a fonte e dreno agora podem ser utilizadas para novos transistores independentes.

Nos primeiros FinFET de 2012, em 22 nm, a estrutura real era de 5 nm para cada “fin” e 50 nm para os portões. A nomenclatura de 22 nm é utilizada apenas como referência à maior densidade possível de transistores em uma mesma área, graças ao empilhamento 3D.

Conforme os processos de empilhamento foram evoluindo, essa densidade aumentou, passando para 14 nm, 10 nm e assim por diante, mas o tamanho efetivo dos portões lógicos e barbatanas permaneceu quase inalterado. A principal dimensão, de fato, reduzida entre litografia é o espaço de separação entre os contatos metálicos - o “pitch” metálico.

Reduzir essas distâncias, naturalmente, implica em ampliar a superfície horizontal disponível para empilhar novos transistores. Para fins de comparação, os transistores FinFET em 5 nm e 3 nm trazem portões de 51 nm e 48 nm, respectivamente, mas distâncias de separação de 30 nm e 24 nm.

Como surgiram os transistores FinFET?

O conceito original de transistores MOSFET de dois terminais em microfilme de silício foi proposto pela primeira vez em 1967, pelos pesquisadores H. R. Farrah e R. F. Steinberg, e publicado pela IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos). A proposta era manter fonte e dreno em uma mesma área, mas em superfícies distintas.

Já o primeiro FinFET propriamente dito foi produzido pelo laboratório de pesquisa da Hitachi, em 1989, ao trazer uma estrutura mais espessa que um microfilme, criando três superfícies de contato. Com isso, foi possível implementar os três terminais em uma mesma estrutura.

Como são fabricados os transistores FinFET?

O processo de fabricação dos transistores FinFET é relativamente complexo e envolve várias etapas extremamente avançadas e, acima de tudo, precisas de tecnologias de microlitografia.

O fluxo é bastante longo, mas, resumidamente, a fabricação dos FinFET tem 7 passos principais:

1. Preparação do Substrato: O substrato de silício sobre o qual são construídas as estruturas do transistor é moldado e preparado para o processo de impressão.
2. Litografia: Por meio de um processo de litografia de alta precisão, são definidas as áreas onde serão formadas as aletas.
3. Gravação: As etapas de gravação removem o material em excesso, formando as aletas - ou barbatanas - tridimensionais. 
4. Deposição de Materiais: Os óxidos e metais são depositados para formar o portão lógico, a fonte e o dreno.
5. Polido Químico-Mecânico (CMP): A superfície do transistor é polida para garantir uma topografia uniforme.
6. Dopagem: Em processo controlado, também muito preciso, introduz-se impurezas para alterar as propriedades elétricas das regiões da fonte e do dreno.
7. Formação do Gate: O gate é formado ao redor das aletas, utilizando materiais dielétricos e condutores.
   Interconexões: Finalmente, cria-se uma rede de interconexões metálicas que conectam os transistores entre si e com outras partes do circuito.

Vantagens do FinFET em relação a outros transistores

A primeira vantagem mais notável dos transistores FinFET está, naturalmente, na escalabilidade. Ao reduzir a área necessária para imprimir cada transistor e viabilizar uma impressão não planar, empilhando componentes, é possível criar circuitos com cada vez mais transistores sem, necessariamente, aumentar a superfície total do microchip.

No entanto, a estrutura tridimensional também melhora diversas outras características que afetam, também, o desempenho total dos microprocessadores.

1. Redução da Corrente de Fuga: A estrutura de aletas tridimensionais faz com a corrente de fuga do circuito seja menor que em transistores planares, reduzindo o risco de curtos e/ou interferência em componentes adjacentes.
2. Maior Eficiência Energética: Com menor corrente de fuga, os dispositivos FinFET também são mais eficientes energeticamente, reduzindo consumo, aquecimento, e viabilizando dispositivos com soluções térmicas menos exigentes e maior autonomia de bateria.
3. Maior Velocidade de Comutação: A estrutura tridimensional com fonte, dreno e portão em uma única aleta torna mais rápida a troca de carga do transistor.
4. Maior Corrente de Drenagem: Pelo mesmo motivo, a corrente de acionamento por área é maior, melhorando o desempenho.
5. Voltagem de Comutação Reduzida: Por outro lado, a tensão - ou voltagem - necessária para atingir a corrente ótima é menor nos transistores FinFET, reduzindo ainda mais o consumo de energia.

Onde os FinFET são usados hoje em dia?

Na prática, mesmo as microarquiteturas mais modernas das fabricantes de semicondutores, como TSMC, Intel e Samsung, ainda utilizam transistores FinFET ou derivações mais otimizadas deles. Por mais que hoje eles estejam em seus limites físicos para reduzir litografias, a indústria ainda está trabalhando para lançar o próximo padrão de transistor.

Apesar de utilizarem nomes diferentes, com TSMC e Samsung adotando a nomenclatura GAA (Gates All Around), e Intel batizando de RibbonFET, a premissa é a mesma: segmentar as “barbatanas” do transistor FinFET em pequenas vias de silício com portões lógicos por todos os lados.

Contudo, por enquanto todos os aparelhos com microchips, como processadores, memórias NAND, smartphones, televisores, placas de vídeo, consoles, carros e tantos outros dispositivos eletrônicos utilizam ao menos um componente com transistores FinFET. Em outras palavras, os FinFET estão em todas as áreas da vida moderna.

Ainda assim, por se tratar de uma tecnologia já bastante madura, evoluída e relativamente barata de se produzir, mesmo com a chegada dos RibbonFET, será inviável simplesmente substituir completamente os FinFET, dando a certeza que eles devem continuar a ser utilizados por um bom tempo.

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