FinFET技术在晶圆制造中的优势

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文通过介绍传统平面晶体管的局限性，从而引入FinFET技术的原理、工艺和优势。

FinFET技术在晶圆制造中引入了一种创新的三维晶体管结构，通过增强栅极控制和降低漏电流，实现了更高效的晶体管性能。这对于实现更小、更快、更节能的半导体器件是至关重要的。随着半导体工艺节点的不断缩小，FinFET技术的应用也变得越来越普遍和重要。

背景：传统平面晶体管的局限性

在传统的平面金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中，随着工艺节点的缩小（比如从90nm到65nm再到更小的节点），我们遇到了以下技术挑战：

短沟道效应 ：随着晶体管的栅极长度缩短，栅极对沟道的控制能力减弱，导致漏电流增加和开关速度降低。

漏电流增加 ：漏电流（off-state leakage current）增加，会导致静态功耗显著上升。

亚阈值摆幅问题 ：传统MOSFET的亚阈值摆幅（Subthreshold Slope）受限于60 mV/decade，这限制了其在低功耗操作下的开关效率。

FinFET技术的引入

FinFET（鳍式场效应晶体管）是一种三维结构的晶体管技术，通过以下几个方面改善了传统MOSFET的性能：

增强的电流驱动能力 ：FinFET通过立体结构，允许更大的驱动电流。这是因为FinFET的沟道是垂直于基板表面立起来的“鳍”，使得在同样的占地面积上可以获得更大的有效宽度。

更好的栅极控制 ：在FinFET中，栅极可以从三面包围“鳍”状的沟道，这大大增强了栅极对沟道的电场控制能力，从而显著降低短沟道效应。

降低漏电流 ：通过更好的栅极控制和较短的有效沟道长度，FinFET能够显著降低漏电流。这对于实现低功耗电路至关重要。

FinFET的制造工艺挑战

尽管FinFET具有明显的技术优势，但其制造工艺也带来了新的挑战：

更复杂的工艺流程 ：制造FinFET需要更复杂的工艺步骤，包括多个光刻和刻蚀步骤，以形成精确的三维结构。

设备和工艺的升级 ：需要先进的设备和工艺，比如高精度的光刻技术（EUV光刻）和高选择性的刻蚀工艺。

良率控制 ：三维结构的复杂性增加了缺陷的可能性，需要更严格的良率控制和检测技术。

FinFET的优势验证

随着制程工艺向10nm及以下节点推进，FinFET技术的优势变得愈加明显：

提高性能和降低功耗 ：通过更好的控制能力和更低的漏电流，FinFET能够在保持性能的同时，显著降低功耗。

提高集成度 ：更小的单元尺寸和更高的电流密度使得芯片可以集成更多的功能和电路。