简单来说,无论是 UTB-SOI还是 FinFET,它们都是利用栅控制很薄的硅沟道薄膜。为什么UTB-SOI 和FinFET要把硅沟道薄膜的厚度制造得很薄,它的原理是什么呢?这可以从MOSFET的能带图去理解,MOSFET 的剖面图如图2-54所示,MOSFET 处于关闭状态时沟道区域和衬底区域的能带图如图2-55所示,图2-55a 是沟道距离栅极Xa≤0.25Lg的沟道区域的能带图,栅极对该区域的沟道形成有效的控制,漏极的电压Vd不足以导致沟道的势垒高度降低。图2-55b 是距离栅极Xb>0.25Lg的沟道区域的能带图,它距离栅极较远,栅极对该区域的沟道没有形成有效的控制,由于短沟道效应中 DIBL效应导致沟道区域的势垒高度降低了ΦDIBL,虽然 MOSFET处于关闭状态,但是电子依然很容易越过势垒,在沟道的正下方会形成漏电流。为了有效地抑制短沟道效应,必须设法使沟道中任何点到栅的距离在Xa≤0.25Lg的范围内。Lg是器件的沟道长度。
图2-56所示为 MOSFET 向 UTB-SOI 和FinFET发展图。为了有效地抑制短沟道效应,依据平面 MOSFET的结构,UTB-SOI 是通过超薄绝缘层把 MOSFET 中距离栅极大于0.25Lg的沟道区域与源漏极隔离,从而改善短沟道效应。FinFET 是直接把MOSFET中距离栅极一定范围的沟道提取出来,形成凸起的高而薄的鳍,高而薄的鳍就是 FinFET 的沟道,FinFET的栅极则是三面包围着沟道,能通过三面的栅极控制沟道的导通与关断,加强栅极对沟道的控制,鳍的厚度在0.67Lg左右。
三维立体型 FinFET与平面型MOSFET 的主要区别是 MOSFET 的栅极位于沟道的正上方,只能在栅极的一侧控制沟道的导通与关断,栅极、源极和漏极都在一个平面。而FinFET的栅极则是三面包围着沟道,能通过三面的栅极控制沟道的导通与关断,栅极成类似鱼鳍的叉状3D架构,栅极、源极和漏极不在一个平面。FinFET的沟道是由衬底凸起的高而薄的鳍构成,源漏两极分别在其两端,沟道的三面紧贴栅极的侧壁,这种鳍型结构的沟道厚度很小只有0.67Lg左右,所以沟道内部与栅的距离也相应缩小,同时栅与沟道的接触面积也增大,最终加强了栅对整个沟道的控制,也可以有效地抑制器件短沟道效应,减小亚阈值漏电流。FinFET无需高掺杂沟道,离散的杂质离子的散射效应也得到了有效的降低,与重掺杂的平面型 MOSFET相比,载流子的迁移率将会大幅提升,所以 FinFET的速度也将大幅提升。