鳍式场效应晶体管(Fin Field Effect Transistor, FinFET) 是一种新型三维立体结构的 CMOS 晶体管。FinFET 的雏形结构最早基于 SOI MOSFET 技术,由 Hitachi 公司的D. Hisamoto 等人于 1990 年提出,并简称为 DELTA ;后来Hisamoto 加入加州大学伯克利分校胡正明教授小组,该小组于 1998 年首先提出n沟道FinFET,1999 年再提出 p沟道 FinFET。因为晶体管栅极的形状与鱼鳍相似,加州大学伯克利分校胡正明教授小组等将其命名为鳍式场效应晶体管。Intel 公布的FinFET 电子显微镜照片如图2-10所示。FinFET 的沟道从硅衬底表面竖起,形成垂直的沟道结构,然后在竖立的沟道上制造栅极,使凸出的沟道三个面都成为受控面而受到栅极的控制。这种三维结构相当于增加栅极对沟道的控制面积,能够极大程度地增强栅极对沟道的控制能力;同时能有效地抑制短沟道效应对器件电学性能造成的劣化不良影响,并降低亚阈值泄漏电流,保证 FinFET 在22nm 及其以下的工艺节点能够正常工作。此外,FinFET 的沟道通常为轻摻杂甚至不摻杂,故能够有效降低离散掺杂原子的散射作用而提高载流子的迁移率,且能降低因掺杂浓度变化而造成的器件性能变化漂移。
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现有的 FinFET 已经发展为多种结构类型,可分为双栅、三栅、环栅等结构,其中环栅结构对沟道的控制能力最强。
尽管 FinFET 对沟道拥有极强的控制能力,可以有效地抑制短沟道效应以及减小泄漏电流;但是,随着 FinFET 尺寸缩小至 10nm 节点时,鳍式沟道的表面光滑度会受到制造过程中光刻和刻蚀技术的影响,使得鳍式沟道的边缘整齐度变化较大,导致不同位置晶体管的性能波动性变大,降低了成品率。另外,鳍式沟道在不断缩小化的过程中变得更细,使得沟道的电阻增大,降低有效电流值。
FinFET 技术卓越的性能使得各大半导体公司都争先开发基于 FinFET 技术的新产品。2012 年,Imtel 首先宣布将 FinFET 应用于产品中,从 Core i7-3770 之后的22nm 处理器均开使用 FinFET 技术。2015 年三星和台积电采用 FinFET结构分别推出; 14nm 和16mm 的A9芯片,使得 A9 芯片性能大幅提升;相比于20nm工艺节点的产品,新产品速度提升 40%,功耗降低 50%。 2016年1月,AMD 发布了基于14nm FinFET 技术的CPU芯片。2016 年7月,高通也基于三星10nm FinFET 技术生产出了处理器。