11/01/2013 11h04 - Atualizado em 11/01/2013 11h04

Trigate: a terceira dimensão

B. Piropo
por
Para o TechTudo

E chegamos, afinal, ao transistor “trigate”, o estado da arte na fabricação de transistores, uma tecnologia que permitiu à Intel lançar no mercado sua mais recente geração de processadores, os membros da família Core conhecidos pelos nomes de código Sandy Bridge e, mais recentemente, Ivy Bridge, fabricados em 2011 e 2012 respectivamente, em camada de silício de inacreditáveis 22 nm. E que permitirá, segundo os planos da própria Intel, adelgaçar ainda mais esta camada, fabricando ainda este ano (2013), microprocessadores em camada de silício de 14 nm e, em 2015, chegando à casa dos 10 nm, ou seja, uma camada de silício de apenas dez milionésimos de milímetro.

Mas como isto é possível se sabemos que, usando a tradicional tecnologia de fabricação dos transistores tipo planar, em transistores de camada de silício de 32 nm a largura da porta, que corresponde ao afastamento entre fonte e dreno, atinge apenas a 15 nm e que abaixo disto não se consegue evitar a corrente de fuga (ou seja, mantê-las isoladas), mesmo adotando aperfeiçoamentos como o uso de portas de metal e isolantes de elevada constante dielétrica discutidas na coluna anterior?

Bem, o segredo está na frase “usando a tradicional tecnologia de fabricação dos transistores tipo planar”. Para se conseguir o aparente milagre há que – mais uma vez – alterar a tecnologia de fabricação mudando a própria estrutura interna dos transistores.

Mas como isto seria possível? Bem, demos uma pista no final daquela coluna, quando mencionamos que seria preciso lançar os elétrons em outra dimensão.

Vamos ver agora qual o verdadeiro sentido desta afirmação – muito mais simples do que parece à primeira vista, já que levou o leitor Josemar Santos a tecer um comentário com elucubrações no campo da mecânica quântica.

Figura 1: esquema tridimensional de um transistor planarFigura 1: esquema tridimensional de um transistor planar (Foto: Reprodução)

Repare na Figura 1. Ela mostra, agora em três dimensões, a mesma representação esquemática de um tradicional transistor planar que, a esta altura dos acontecimentos, estamos cansados de conhecer. À direita aparece, em perspectiva, essencialmente a mesma representação bidimensional da Figura 1 da coluna anterior, um corte mostrando a parte central da imagem da esquerda, com a porta, a fonte e o dreno do transistor sobre a base, ou substrato, de silício puro, além da camada de “strained silicon” e isolante de elevada constante dielétrica (“high-K”) já nossos conhecidos. Á esquerda vemos os mesmos elementos, porém em um esquema tridimensional, onde um trecho da porta foi removido para que se possa examinar o que há abaixo dela.

Nesta imagem se pode perceber que fonte e dreno funcionam como se fossem canais no interior do substrato de silício, canais estes por onde se movimentam os elétrons. E que a fina camada de “strained Si” une fonte a dreno e deixa passar os elétrons de uma para o outro quando há tensão na porta e consequentemente o transistor conduz. E interrompe esta passagem (ou seja, a isola) quando a porta não recebe tensão.

Em suma: quando o transistor conduz corrente, a fonte, a camada de “strained Si” e o dreno funcionam, juntos, como uma única via por onde a corrente flui.

Observando isto os técnicos da Intel chegaram a uma interessante conclusão que pode ser facilmente entendida observando a Figura 2.

Figura 2: o transistor idealFigura 2: o transistor ideal (Foto: Reprodução)

Em tese, caso se desenvolvesse uma técnica de fabricação capaz de produzi-lo, o transistor ideal teria um formato aproximadamente tubular. Fonte e dreno seriam constituídos de cristal de silício dopados com as devidas impurezas (e a quem não sabe do que estamos falando, sugiro consultar a coluna “Transistor planar” publicada em 25/10/2012). Entre fonte e dreno haveria um trecho de cristal de silício puro, não dopado (que não aparece na Figura 2 porque está envolto pela porta). E em torno deste trecho central se situaria a porta, usando a tecnologia moderna “Metal gate/High-K” (porta metálica com isolante de alta constante dielétrica).

Como em qualquer transistor, há uma tensão aplicada à fonte enquanto o dreno está ligado à terra. A tendência, portanto, é que uma corrente flua de fonte a dreno. Mas, devido ao trecho de cristal de silício puro existente no interior da porta cilíndrica, este fluxo depende do estado desta porta. Quando a ela se aplica uma tensão, a resistência elétrica do trecho de cristal de silício existente no interior desta nova porta tubular é praticamente nula e o transistor conduz (ou seja, se estabelece uma corrente entre fonte e dreno). Quando não há tensão aplicada à porta, o trecho de cristal de silício puro situado em seu interior se comporta como material isolante, impedindo o fluxo da corrente. E assim este transistor “ideal”, tubular, cumpriria sua função de chaveador de corrente nos circuitos digitais.

Mais simples, impossível (na verdade, a simplificação é fruto de algum esforço neste sentido, eliminando complicadores; por exemplo, o transistor acima descrito é do tipo NPN e, caso fosse PNP, haveria algumas diferenças na polaridade mas o funcionamento seria essencialmente o mesmo; este e outros fatores que agregariam complexidade à explicação foram piedosamente omitidos).

O problema, então, é puramente de natureza prática. Pois, nas dimensões requeridas (alguns milionésimos de milímetro), não existe tecnologia de fabricação capaz de produzir dispositivos como os acima descritos (mas haverá, talvez já na próxima década ou antes, usando um novo e quase milagroso material denominado “nanotubo de carbono”; mas isto é assunto para outra – longa – série de colunas).

Bem, se não podemos ainda fabricar transistores com fonte e dreno tubulares em que a porta envolva completamente o trecho situado entre fonte e dreno, podemos por outro lado fabricar transistores adaptando a tecnologia “Metal gate/High-K” para fabricar transistores em que a porta envolva “quase completamente” aquele trecho.

Examinemos a figura 3 para entendermos melhor o que isto significa.

Figura 3: Diagrama esquemático tridimensional do transistor “trigate”Figura 3: Diagrama esquemático tridimensional do transistor “trigate” (Foto: Reprodução)

Adiante veremos como se consegue fabricar um transistor como o do esquema mostrado acima (a tecnologia de fabricação ainda usa a técnica de deposição de camadas em “wafer”, mas é bastante mais complexa, uma façanha nanotecnológica). Hoje vamos nos fixar apenas em seu funcionamento.

A base de todo o conjunto é uma fina camada suporte de óxido de silício que cumpre apenas a função estrutural de suportar tudo o que virá acima dela.

Imediatamente acima vem uma finíssima camada (hoje, apenas 22 nm, mas como vimos acima, breve será ainda mais delgada) de cristal de silício, o material semicondutor de que são feitos nossos transistores.

Mas repare: ao contrário dos transistores planares, mostrados na figura 1, onde fonte e dreno se comportam como canais “embutidos” no interior da camada de silício, os deste transistor se projetam para fora dela, como se fossem barbatanas (“fin”, em inglês) que atravessam a porta. E somente estes trechos salientes são dopados, exceto no intervalo situado abaixo da porta, que permanece constituído de cristal de silício puro.

Figura 4: Corte de um transistor “trigate”Figura 4: Corte de um transistor “trigate” (Foto: Reprodução)

O resultado é o mostrado no corte apresentado na figura 4, obtido de uma apresentação da Intel. No centro, em verde azulado, aparece o trecho da “barbatana” que atravessa a porta. Entre ele e a porta propriamente dita, em amarelo alaranjado, aparece o isolamento com óxido de háfnio, um material de elevada constante dielétrica (“High-K”). E em torno dela, no topo e nas duas laterais, a porta – que, no esquema, foi dividida em três seções, “Gate 1”, “Gate 2” e “Gate 3” para honrar a designação “trigate” mas que na verdade constituem um único elemento.

Assim a Intel conseguiu que a porta “quase” envolvesse inteiramente o trecho entre fonte e dreno, ou seja, não se situa em torno de todo ele, mas recobre três de suas quatro superfícies laterais. Com isto, a tensão aplicada à porta se distribui por uma superfície maior e a seção de cristal de silício que atua como condutora quando há tensão na porta tem uma área bastante maior que a pequena seção da camada de “Strained Si” do transistor planar. O resultado disto é uma significativa redução na corrente de fuga e um aumento importante na capacidade de isolamento.

Em suma: diferentemente do transistor planar, onde como o nome indica os transistores são criados em uma superfície plana, bidimensional, os trechos de material dopado que constituem fonte e dreno desta nova geração de transistores cujo esquema é mostrado na Figura 3 se projetam para fora deste plano. A estrutura dos elementos ativos, os componentes principais do transistor, se projetam para fora do plano horizontal, na terceira dimensão. São, portanto, estruturas tridimensionais. Por esta razão estes transistores são conhecidos pela designação de “transistores 3D” ou, mais genericamente, “transistores trigate”.

Neste tipo de transistor, a porta controla melhor o fluxo de corrente entre fonte e dreno, a tensão existente no substrato exerce pouca ou nenhuma influência no sistema quando o transistor não conduz, uma corrente de maior intensidade pode fluir devido ao aumento da seção de condução do trecho entre fonte e dreno e, se necessário (veremos isto adiante), pode-se usar mais de uma “barbatana” em um único transistor, aumentando a precisão e o controle. E, naturalmente, tudo isto pode ser fabricado em uma camada de silício mais delgada.

Na próxima coluna – que, espero, será a última desta série – veremos como se consegue fabricar estas pequenas maravilhas e alguns detalhes sobre seu funcionamento.

Até lá.

B. Piropo

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