鳍式场效应晶体管FinFET提高芯片的驱动能力

鳍式场效应晶体管（FinFET）是立体多栅器件的一种，其主要特征是由鱼鳍形（Fin）的薄层硅构成折叠的导电通道，并由双面或三面折叠包围的栅极控制，如图6-5所示。较薄的沟道和多栅控制提高了器件的栅控能力，可以保证器件工作于全耗尽状态。与平面CMOS器件相比，FinFET因其三维全耗尽的结构，在抑制短沟道效应、提高器件性能、降低功耗等方面具有明显的优势；由于FinFET的短沟道效应控制较好，因此沟道掺杂浓度可显著降低，从而改善迁移率下降和随机掺杂涨落问题；双栅或多栅FinFET可明显改善器件亚阈值斜率，优化后的亚阈值斜率可接近60mV/decade；在相同的硅片投影面积上，FinFET可形成更宽的有效沟道，从而提高芯片的驱动能力。

FinFET由美国加州伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）团队在1999年命名，其原型为DELTA(Depleted Lean- Channel Transistor)器件。英特尔公司将类似器件称为三栅晶体管（Tri- Gate Transistor），在技术文献中一般将这种基于Fin并具有多栅结构的器件（无论双栅还是三栅），都称为FinFET。

2006年之前，FinFET的制备尚未引入源漏选择性外延和应变硅技术，因此其驱动电流普遍较低。而对设计者来说，无法灵活地改变沟道宽度，所以离量产应用尚有距离。英特尔公司在2006年发表的论文中采用了源漏外延的方法来增加应力和源漏接触面积，从而提高迁移率，降低串联电阻，FinFET 获得了足够的驱动能力，nFET和pFET的电流驱动能力均达到1mA/um以上。此外，在设计中，FinFET沟道宽度的调整可通过Fin的不同数量来变通实现，这就为FinFET的量产奠定了基础。

FinFET在量产应用中也面临着诸多挑战：Fin具有较大的高宽比，这对于Fin的图形化及精确控制，表面光滑及缺陷去除处理，掺杂注入，以及后续工艺中对Fin的无损伤保护等都有很高的难度；由于Fin的存在，非平面的硅片表面给栅，侧墙等工艺的刻蚀和填充等都带来了挑战；Fin的厚度存在一定的优化值，厚度过小会导致驱动电流过小；增加Fin的高度可以获得更大的有效沟道宽度，但是也会增加寄生电容；通过Fin的数量实现的有效沟道宽度变化存在离散化、非连续的特点，给电路设计的灵活性带来问题。

在22nm技术节点之前，采用了高k金属栅的平面CMOS技术尚能满足量产的需要，再加上FinFET技术的上述挑战，以及由此带来的成本上升，因此FinFET技术一直没有实现工业量产，并从16nm/14nm节点开始成为国际主流集成电路制造厂商的首选技术。截止2017年4月，已有英特尔、三星、台积电和格芯在16nm/14nm节点实现了FinFET的规模量产，三星和台积电也已开始进行10nmFinFET技术的量产。2016年的主流观点认为，FinFET技术可在16nm/14nm、10nm、7nm等节点占据主导地位，采用高迁移率沟道材料，如nFET使用III-V 族化合物、pFET使用Ge/SiGe材料，可进一步提高FinFET性能，但是否能进一步延伸至5nm节点尚未可知。

审核编辑：刘清