从平面晶体管到FinFET的演变

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍从平面晶体管到FinFET的演变

在90纳米制程之前，每一代集成电路技术节点的缩放不仅带来了更高的器件密度，还提升了器件性能。然而，当CMOS IC从90纳米发展到65纳米节点时，缩放并未改善器件性能：它只增加了器件密度。这一变化的主要原因是栅氧化层的厚度无法再继续减薄，因为隧道效应引起的泄漏电流成为了一个不可忽视的问题。

平面晶体管的局限性

MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的一个重要性能参数是驱动电流 Id，其与公式 Id∝μ(K/Tox)(W/L) 成正比。其中：μ 是沟道材料的载流子迁移率（对于NMOS为电子迁移率，对于PMOS为孔穴迁移率）。K 是栅极介质的介电常数。Tox 是栅氧化层的厚度。W 是沟道宽度。L 是沟道长度。

如果仅缩小平面MOSFET的特征尺寸，则 W 和 L 会以相同的比例减小，除非 Tox 同样减小，否则驱动电流不会得到改善。为了降低漏电和功耗，供电电压和阈值电压也会偶尔随栅氧化层厚度一起减小。当 Tox 变得非常薄并接近泄漏和击穿极限时，人们不得不寻找其他方法来提高 Id。

高k/金属栅极（HKMG）技术

为了解决栅氧化层厚度限制的问题，人们引入了高介电常数栅介质和金属栅技术(HKMG)。使用高k材料（如HfSiOxNy）替代传统的SiO2栅介质，可以显著增加栅介质的介电常数K，从而形成更薄的有效氧化物厚度(EOT)，进一步提高驱动电流。例如，HfSiOxNy的介电常数 K 可以达到20左右，远高于SiO2的3.9。

在45纳米以下技术中引入了HKMG，这有助于减少EOT并进一步提升器件性能。尽管HKMG技术在一定程度上解决了栅氧化层厚度的问题，但随着技术节点的进一步缩小，平面MOSFET的性能提升遇到了瓶颈。因此，业界开始探索新的晶体管结构，FinFET应运而生。  

FinFET的结构

平面MOSFET：平面MOSFET的沟道位于一个平面上。

FinFET：FinFET的沟道呈鳍状，沟道被栅极从三个方向包围。

FinFET的优势

增加沟道宽度：FinFET可以在较小的硅表面面积上实现相同的沟道宽度。通过增加鳍的高度，沟道宽度可以进一步增加，因此可以在不缩小器件特征尺寸的情况下进一步提升器件性能。

减少短沟道效应：FinFET的三维结构有助于更好地控制沟道区，减少短沟道效应，提高晶体管的可靠性和性能。

提高驱动电流：FinFET的三面栅结构可以更有效地控制沟道区，减少漏电，提高驱动电流 Id。

FinFET的制造挑战

蚀刻和清洗：如果鳍太高且纵横比过高，蚀刻和清洗鳍而不引起其坍塌将变得非常困难。

STI填充：填充鳍之间的STI（浅沟槽隔离）的无空洞介电薄膜也将变得非常困难。