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集成电路中的硅基器件—鳍式场效应晶体管FinFET
来源:整理综合自《集成电路产业全书》 | 作者:Belle | 发布时间: 2022-09-09 | 26 次浏览 | 分享到:

鳍式场效应晶体管(FinFET)是立体多栅器件的一种,其主要特征是由鱼鳍形(Fin)的薄层硅构成折叠的导电通道,并由双面或三面折叠包围的栅极控制,如图6-5所示。较薄的沟道和多栅控制提高了器件的栅控能力,可以保证器件工作于全耗尽状态。与平面CMOS器件相比,FinFET因其三维全耗尽的结构,在抑制短沟道效应、提高器件性能、降低功耗等方面具有明显的优势;由于FinFET的短沟道效应控制较好,因此沟道掺杂浓度可显著降低,从而改善迁移率下降和随机掺杂涨落问题;双栅或多栅FinFET可明显改善器件亚阈值斜率,优化后的亚阈值斜率可接近60mV/decade;在相同的硅片投影面积上,FinFET可形成更宽的有效沟道,从而提高芯片的驱动能力。


FinFET由美国加州伯克利分校的胡正明(Chenming Hu)团队在1999年命名,其原型为DELTA(Depleted Lean- Channel Transistor)器件。英特尔公司将类似器件称为三栅晶体管(Tri- Gate Transistor),在技术文献中一般将这种基于Fin并具有多栅结构的器件(无论双栅还是三栅),都称为FinFET。


2006年之前,FinFET的制备尚未引入源漏选择性外延和应变硅技术,因此其驱动电流普遍较低。而对设计者来说,无法灵活地改变沟道宽度,所以离量产应用尚有距离。英特尔公司在2006年发表的论文中采用了源漏外延的方法来增加应力和源漏接触面积,从而提高迁移率,降低串联电阻,FinFET 获得了足够的驱动能力,nFET和pFET的电流驱动能力均达到1mA/um以上。此外,在设计中,FinFET沟道宽度的调整可通过Fin的不同数量来变通实现,这就为FinFET的量产奠定了基础。


FinFET在量产应用中也面临着诸多挑战:Fin具有较大的高宽比,这对于Fin的图形化及精确控制,表面光滑及缺陷去除处理,掺杂注入,以及后续工艺中对Fin的无损伤保护等都有很高的难度;由于Fin的存在,非平面的硅片表面给栅,侧墙等工艺的刻蚀和填充等都带来了挑战;Fin的厚度存在一定的优化值,厚度过小会导致驱动电流过小;增加Fin的高度可以获得更大的有效沟道宽度,但是也会增加寄生电容;通过Fin的数量实现的有效沟道宽度变化存在离散化、非连续的特点,给电路设计的灵活性带来问题。


在22nm技术节点之前,采用了高k金属栅的平面CMOS技术尚能满足量产的需要,再加上FinFET技术的上述挑战,以及由此带来的成本上升,因此FinFET技术一直没有实现工业量产,并从16nm/14nm节点开始成为国际主流集成电路制造厂商的首选技术。截止2017年4月,已有英特尔、三星、台积电和格芯在16nm/14nm节点实现了FinFET的规模量产,三星和台积电也已开始进行10nmFinFET技术的量产。2016年的主流观点认为,FinFET技术可在16nm/14nm、10nm、7nm等节点占据主导地位,采用高迁移率沟道材料,如nFET使用III-V 族化合物、pFET使用Ge/SiGe材料,可进一步提高FinFET性能,但是否能进一步延伸至5nm节点尚未可知。