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鰭式場效應晶體管
鎖定
FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor,中文名叫鰭式場效應晶體管,是一種新的互補式金氧半導體晶體管。FinFET命名根據晶體管的形狀與魚鰭的相似性。其電子顯微鏡照片如左圖所示。
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FinFET源自於傳統標準的晶體管—場效應晶體管(Field-Effect Transistor,FET)的一項創新設計。在傳統晶體管結構中,控制電流通過的閘門,只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開,屬於平面的架構。在FinFET的架構中,閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構,可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。 這種設計可以大幅改善電路控制並減少漏電流(leakage),也可以大幅縮短晶體管的柵長。
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- 發明人
- 胡正明教授 [2]
- 優 勢
- 大幅改善電路控制並減少漏電流,大幅縮短晶體管的柵長 [1]
- 應 用
- 等CMOS器件 [3]
鰭式場效應晶體管工作原理
如右圖所示,FinFeT與平面型MOSFET結構的主要區別在於其溝道由絕緣襯底上凸起的高而薄的鰭構成,源漏兩極分別在其兩端,三柵極緊貼其側壁和頂部,用於輔助電流控制,這種鰭形結構增大了柵圍繞溝道的面,加強了柵對溝道的控制,從而可以有效緩解平面器件中出現的短溝道效應,大幅改善電路控制並減少漏電流,也可以大幅縮短晶體管的柵長,也正由於該特性,FinfeT無須高摻雜溝道,因此能夠有效降低雜質離子散射效應,提高溝道載流子遷移率。
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鰭式場效應晶體管結構
如右圖所示,FinFET的主要特點是,溝道區域是一個被柵極包裹的鰭狀半導體。沿源漏方向的鰭的長度,為溝道長度。柵極包裹的結構增強了柵的控制能力, 對溝道提供了更好的電學控制,從而降低了漏電流,抑制短溝道效應。
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然而FinFET有很多種,不同的FinFET有不同的電學特性。下面根據襯底類型、溝道的方向、柵的數量、柵的結構,分別給予介紹。SOI FinFET 和體FinFET。根據FinFET襯底,FinFET可以分成兩種。一種是SOI FinFET,一種是體FinFET。體FinFET形成在體硅襯底上。由於製作的工藝不同,相比於SOI襯底,體硅襯底具有低缺陷密度,低成本的優點。此外,由於SOI襯底中埋氧層的熱傳導率較低,體硅襯底的散熱性能也要優於SOI襯底。
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體FinFET,SOI FinFET具有近似的寄生電阻、寄生電容,從而在電路水平上可以提供相似的功率性能。但是 SOI 襯底的輕鰭摻雜FinFET,相比於體FinFET,表現出較低的節電容,更高的遷移率和電壓增益的電學性能。
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鰭式場效應晶體管技術發展狀況
在2011年初,英特爾推出了商業化的 FinFET,使用在其22nm節點的工藝上。台積電等主要半導體代工企業也已經開始計劃推出自己的 FinFET。從2012年起, FinFeT已經開始向20nm節點和14nm節點推進。
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未來的發展重點:在鍺硅中實施P型摻雜以改善器件性能,優化鍺上硅鈍化層厚度,改善溝道柵纏繞效應。該項研究驗證了採用鰭式場效應晶體管結構的鍺―鍺硅異構量子阱器件,不僅能提供應變能力,而且能增強溝道控制力。
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鰭式場效應晶體管應用
自CMOS器件發展到90m技術以來,在器件中嵌入鍺硅源極和漏極已經是一種產生應變硅增強P型MOS器件的普遍方法。器件尺寸的減少,使源極和漏極中實現應變的空間極為有限。採用薄型結構的鰭式場效應晶體管已經難以進一步微細化。將高應變材料直接應用於溝道將是CMOS器件繼續微細化的可行途徑。
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比利時微電子研究中心在弛豫的鍺硅緩衝層上生長出高應變鍺溝道,已證明這種方法能夠提高溝道電子遷移率,具有良好的按比例縮小溝道尺寸潛力。採用鰭式替代工藝製造應變鍺溝道器件,對於在常規硅襯底上實現與其他器件的集成非常有用。建立在鍺硅溝道緩衝層上的應變鍺P溝道鰭式場效應晶體管的跨導峯值,在0.5V源漏電壓下為1.3ms/μm,具有低至60mm柵長的良好短溝道控制能力。該器件亞閾值斜率跨導高於已宣佈的弛豫鍺鰭式場效應晶體管。
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鰭式場效應晶體管優勢
FinFET器件相比傳統的平面晶體管來説有明顯優勢。首先,FinFet溝道一般是輕摻雜甚至不摻雜的,它避免了離散的摻雜原子的散射作用,同重摻雜的平面器件相比,載流子遷移率將會大大提高。另外,與傳統的平面CMOS相比,FinFET器件在抑制亞閾值電流和柵極漏電流方面有着絕對的優勢。FinFET的雙柵或半環柵等體鰭形結構增加了柵極對溝道的控制面積,使得柵控能力大大增強,從而可以有效抑制短溝效應,減小亞閾值漏電流。由於短溝效應的抑制和柵控能力的增強,finFET器件可以使用比傳統更厚的柵氧化物,這樣FinFET器件的柵漏電流也會減小。顯然,FinFET優於PDSOI。並且,由於FinFET在工藝上與CMOS技術相似,技術上比較容易實現。 所以已被很多大公司用在小尺寸IC的製造中。
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- 參考資料
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- 1. 朱範婷.FINFET技術[J].數字技術與應用,2014,(第1期). .中國知網.2014-01[引用日期2020-05-15]
- 2. 張茂於.產業專利分析報告 第50冊 芯片先進製造工藝.中國北京:知識產權出版社,2017.06:61
- 3. 餘洋主編.世界軍事電子發展年度報告 2014.中國北京:國防工業出版社,2015.03:200
- 4. 張驍竣,季昊,聶筆劍.鰭式場效應晶體管結合自熱效應的電遷移分析[J].電子技術應用,2019,45(08):53-60. .中國知網.2019-08[引用日期2020-05-15]
- 5. 馬偉彬.FinFET器件技術簡介[J].科技展望,2016,26(16):104-105. .中國知網.2016-12-01[引用日期2020-05-15]