半導体のFinFETとは？平らから立体になったトランジスタ

トランジスタは、ずっと平らだった

トランジスタの中では、「ソース」から「ドレイン」へ、「通り道」を通って、電気が流れます。この通り道を、開けたり閉めたりするのが、「ゲート」です。IEEE Spectrumの記事では、トランジスタは、長いあいだ、二次元の、平らな構造だったと説明されています。ゲートと、そのすぐ下にある絶縁の膜が、平らな面の上に乗っている、というつくりです。平らなトランジスタでは、ゲートは、通り道の「上」にだけ、乗っています。

小さくなると、通り道の下から漏れる

トランジスタを小さくすると、ソースとドレインの距離も、短くなります。IEEE Spectrumの記事によると、この距離が短くなりすぎると、電気が、通り道の下の部分を通って、漏れてしまうようになりました。通り道の下は、上にあるゲートの力が、いちばん届きにくい場所です。そのため、スイッチを切ったつもりでも、電気が逃げていき、電力が無駄になります。

前々回のリーク電流の記事で説明した、切っても漏れる電気が、ここでも問題になっていました。ゲートから遠い、通り道の下の部分が、電気の逃げ道になっていたのです。

立体にするという発想

この問題を、たとえ話で考えてみましょう。ホースの水を止めたいとき、上から押さえるだけでは、押さえきれずに、下から水が漏れてしまいます。しっかり止めるには、上と左右の、まわりを囲んで押さえる方が、効果があります。

トランジスタでも、同じ考え方が使われました。IEEE Spectrumの記事では、設計者たちが、電気が、ゲートの管理から外れた場所へ逃げられない、立体的な設計に、目をつけたと説明されています。通り道を、平らな面から、立体に変えて、ゲートで囲む。これが、FinFETの発想です。通り道のどこにも、ゲートの力が届かない場所を、残さない。それが、立体にする目的です。ホースのたとえで、まわりを囲むほど押さえやすくなるのと、同じ考え方です。

フィン（ひれ）の上に、ゲートをかぶせる

IEEE Spectrumの記事では、IntelのFinFETは、シリコンの土台から、ひれ（フィン）のように突き出した、尾根状の通り道を使う設計だと説明されています。ゲートは、この通り道に対して、垂直に走り、通り道の上に、またがるようにかぶさります。こうして、通り道のまわりに、三つのゲートができあがります。Intelは、この構造を、「Tri-Gate（トライゲート）」と名づけました。

通り道の、上と左右の三方向を、ゲートが囲むため、電気が、ゲートの管理から外れた場所へ、逃げにくくなります。FinFETは、ひれ状の通り道を、ゲートで、三方向から囲む形のトランジスタです。

22ナノメートルで、速く、省エネに

IEEE Spectrumの記事によると、この立体のトランジスタは、Intelの「Ivy Bridge」という、22ナノメートルの世代のプロセッサで使われる、と紹介されました。Intelの発表では、従来の平らな32ナノメートルのトランジスタと比べて、低い電圧のときに、37％速く動き、消費電力は、半分以下になるとされています。電圧が低いときの性能が高いため、スマホのような、電池で動く機器に向いている、と記事は述べています。

ただし、この記事は、ニューヨーク・タイムズの記事を引いて、慎重な見方があったことも紹介しています。FinFETは、速さでは有利でも、電力の管理では、別の方式のほうが有利かもしれない、という、業界の推測です。Intelは、パソコンやサーバーでは強い一方、急成長するスマホやタブレットの市場には、入りこめていませんでした。そのため、この立体のトランジスタは、Intelにとって、大きな賭けだったとされています。

FinFETとTri-Gateは、何が違うのか

Semiconductor Engineeringの記事（2012年）では、FinFETとTri-Gateの違いが説明されています。ひれの上にスペーサーがある、一般的なFinFETは、通り道の「二方向」にゲートがある、二重ゲートの素子です。これに対して、Tri-Gateは、通り道の「三方向」にゲートがあるため、その名前がついています。Intelの論文では、Tri-Gateは、条件がもっとも緩やかで、製造しやすいと主張されたそうです。Tri-Gateは、FinFETの一種ですが、ゲートが三方向にある点が違います。

IEEE Spectrumの記事も、IntelのTri-Gateを、FinFETの設計として説明しています。この記事でも、Intelの方式を、FinFETの一種として扱います。

課題：ひれを薄くするほど、そろえにくい

立体にしても、すべてが解決したわけではありません。Semiconductor Engineeringの記事では、IMECの研究者の指摘として、ひれが薄くなるほど、「しきい電圧」を、そろえにくくなると紹介されています。しきい電圧とは、スイッチが入りはじめる電圧です。対策として、ゲートの金属の性質を調整する方法がありますが、そのぶん、製造の工程が増えます。

その後も、FinFETは使われ続けた

FinFETは、その後、広く使われるようになりました。TSMCの公式ページには、TSMCが、2022年に、3ナノメートルのFinFET（N3）を、世界で最初に、大量生産に移したと書かれています。2020年の5ナノメートル、2018年の7ナノメートルも、FinFETでした。長いあいだ、FinFETは、最先端のチップの、標準的な形だったのです。

製造の全体像は、半導体の製造工程の全体像で紹介しています。

ことばのおさらい

• ゲート：電圧を加えて、電気の通り道を開け閉めする部分です。
• 通り道（チャネル）：ソースからドレインへ、電気が流れる部分です。
• フィン：ひれのように、細く高く立てた、シリコンの通り道です。
• FinFET：フィンを、ゲートで囲んだ、立体のトランジスタです。
• しきい電圧：スイッチが入りはじめる電圧です。

よくある誤解

Q. FinFETは、チップそのものを、立体にすることですか？

いいえ。立体になったのは、トランジスタの、電気の通り道の部分です。チップ全体を、積み重ねる技術とは、別の話です。

Q. ゲートで囲む面が増えると、何がよくなりますか？

通り道への、ゲートの力が届きやすくなり、スイッチを切ったときの、漏れが減りやすくなります。

Q. FinFETにすれば、漏れは、完全になくなりますか？

いいえ。ゲートで囲む面が増えることで、漏れが減りやすくなる、という話です。漏れがなくなる、という話ではありません。

まとめ

参考にした公式情報

• IEEE Spectrum「Intel Transistors Enter the Third Dimension」
• Semiconductor Engineering「FinFET Vs. Tri-Gate」（2012年）
• TSMC「2nm Technology」