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鰭式場效應晶體管

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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。 [1] 
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。 [1] 
中文名
鰭式場效應晶體管
外文名
Fin Field-Effect Transistor
類    別
互補式金屬氧化物半導體晶體管 [2] 
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] 

目錄

  1. 1 工作原理
  2. 2 結構
  3. 3 技術發展狀況
  4. 4 應用
  5. 5 優勢

鰭式場效應晶體管工作原理

FinFET被稱為鰭式場效應晶體管，是一種新的互補式金屬氧化物半導體晶體管。該項技術的發明人是加州大學伯克利分校的胡正明教授。 [2] 
FinFET工作原理圖 FinFET工作原理圖
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。 [2] 

鰭式場效應晶體管結構

圖1 英特爾公佈的FinFET的電子顯微鏡照片 圖1 英特爾公佈的FinFET的電子顯微鏡照片
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。 [4]  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。 [5] 
圖2 FinFET的結構和I - V參數 圖2 FinFET的結構和I - V參數
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。 [5] 
這種結構的特點有以下幾點： [2] 
  1. 用來抑制短溝道效應的超薄Si鰭； [2] 
  2. 兩個柵極是自對準的，同時和源漏也是對準的； [2] 
  3. 在源漏區生長多晶硅，可以減少寄生電阻； [2] 
  4. 短的（50nm）Si鰭是一個準平面結構； [2] 
  5. 柵極後製作工藝，和低温、高K柵介質相相容。 [2] 

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。 [2] 
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。 [3] 
採用鰭替代工藝實現了將II-V族材料應用於CMOS器件結構中。這一研究成果使此次將鍺通過鰭替代工藝構成CMOS器件的溝道成為可能。這是實現單片異質集成，發展CMOS器件和片上系統的關鍵技術。 [3] 
比利時微電子研究中心的下一代鰭式場效應晶體管研究是其核心CMOS項目的一部分。 [3] 

鰭式場效應晶體管應用

具有實用性的應變鍺量子阱溝道P型金屬氧化物半導體（MoS）鰭式場效應晶體管表明，鰭式場效應晶體管和三柵結構具備應用於7mm和5nm CMos器件的可能性。 [3] 
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。 [3] 
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。 [3] 

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。 [1] 
參考資料