Ce transistor vertical sur lequel misent IBM et Samsung pour repousser les limites de la loi de Moore

Zoom sur le transistor VTFET, pour « Vertical transport field effect transistor », présenté mi-décembre par IBM et Samsung. Alors que tous les transistors étaient jusque là construits horizontalement, cette nouvelle architecture verticale est vue comme un moyen d'en mettre toujours plus sur une même surface, selon les règles de la loi de Moore.

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Ce transistor vertical sur lequel misent IBM et Samsung pour repousser les limites de la loi de Moore
Samsung et IBM ont déjà produit plusieurs « puces tests » avec leur technologie VTFET.

Transistor planaire, FinFET, gate-all-around (GAA) à base de nano-feuilles... Depuis des décennies, les transistors évoluent pour en faire tenir toujours plus sur une même surface et repousser les limites de la loi de Moore, qui veut que le nombre de transistors par puce double environ tous les deux ans. Toutes les architectures de transistors ont néanmoins un point commun : le courant les traverse horizontalement, parallèlement au substrat de silicium.

De l'horizontal au vertical

Le 14 décembre 2021, IBM et Samsung ont opéré une bascule. Les deux industriels ont présenté leur nouvelle architecture de transistor. Baptisée VTFET, pour « Vertical transport field effect transistor », elle est composée des mêmes éléments qu'un transistor classique, mais assemblés verticalement. Le courant circule entre la source et le drain, positionnés l'un au dessus de l'autre et non plus l'un à côté de l'autre. Entre les deux se trouve le canal de conduction où circulent les électrons, entouré de la grille. Celle-ci assure le contrôle électrostatique de l'ouverture du canal.

« Les transistors VTFET permettront de poursuivre la miniaturisation après les transistors GAA à nanofeuilles, indique Huiming Bu, vice-président chez IBM Research. Ces derniers serviront pour deux ou trois générations de puces. » Pas encore commercialisés, les transistors GAA seront au cœur des technologies 3 nanomètres (nm) et 2 nm que Samsung compte produire respectivement en 2022 et 2025. Intel les utilisera pour ses puces en 2 nm en 2024. Huiming Bu imagine que la technologie GAA à nanofeuilles servira encore pour le nœud technologique de 1.5 nm (qui pourrait également s'appeler 1.4 nm). A noter qu'aujourd'hui, le nœud technologique commercialisé le plus avancé est le 5 nm à base de FinFET, par Samsung et TSMC.

La fin du nœud technologique

Avec leur transistor VTFET, IBM et Samsung mettent au placard cette notion de nœud technologique. Si cette grandeur désignait autrefois la distance entre la source et le drain, cela fait des années qu'elle ne correspond plus à aucune grandeur physique, depuis que les architectures de transistors se sont complexifiées.

Pour quantifier l'augmentation de la densité de transistors par puce, les deux industriels optent pour le « contacted gate pitch » (CGP). Il correspond à la distance minimum entre les canaux de conduction de deux transistors voisins. Le VTFET devrait permettre d'atteindre moins de 40 nm, estime IBM. En guise de comparaison, pour les nœuds technologiques de 22 nm à 3 nm à base de FinFET, le CGP est compris entre 90 et 48 nm. Pour les nœuds technologiques inférieurs à 3 nm, les transistors GAA à nanofeuilles permettront d'atteindre un CGP compris entre 50 et 40 nm.

Près de 100 milliards de transistors sur 1 cm2

Le VTFET devrait permettre de doubler les performances des circuits ou de réduire de 85 % la consommation énergétique par rapport à une technologie FinFET actuelle, assure IBM. « Nous devrions pouvoir intégrer entre 80 et 100 milliards de transistors sur une surface qui accueille aujourd'hui 10 à 20 milliards de FinFET », assure Huiming Bu. Soit deux fois plus que les 30 à 50 milliards de transistors GAA à nanofeuilles envisageables sur la même surface d'environ un centimètre carré. De quoi satisfaire les besoins des applications où les enjeux d'énergie, de miniaturisation et de performance sont les plus élevés. Comme le calcul haute performance ou les appareils mobiles.

Si IBM indique travailler sur les VTFET depuis un petit peu plus de 6 ans, Huiming Bu n'imagine pas une industrialisation de ces transistors avant 6 à 8 ans. Soit un délai d'environ 12 à 14 ans entre le début des travaux et l'industrialisation. Le même que celui qu'il aura fallu aux FinFET. Et le même que celui qu'il faudra aux GAA à nanofeuilles sur lesquels IBM indique travailler depuis plus de 12 ans.

Procédé de fabrication différent

Si le procédé de fabrication des transistors GAA à nanofeuilles est très similaire à celui des FinFET, beaucoup de choses changent avec le VTFET, assure Hemanth Jagannathan, chercheur sur les technologies hardware chez IBM Research : « La source et le drain ne sont plus fabriqués au même moment par exemple. Et les contacts métalliques ne sont pas fabriqués de la même manière. Mais les outils dont nous avons besoin ne sont pas radicalement différents. »

La piste VTFET ouvre la voie à une poursuite de la loi de Moore pendant encore quelques années. « Elle perdurera encore pendant au moins 20 ans », avance Huiming Bu. Sans cesse prédite, la fin de la loi de Moore n'est visiblement pas pour demain.

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