鳍式场效应晶体管

新的互补式金氧半导体晶体管

FinFET全称Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管。FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。其电子显微镜照片如左图所示。

工作原理

FinFET被称为鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金属氧化物半导体晶体管。该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授。

如右图所示，FinFeT与平面型MOSFET结构的主要区别在于其沟道由绝缘衬底上凸起的高而薄的鳍构成，源漏两极分别在其两端，三栅极紧贴其侧壁和顶部，用于辅助电流控制，这种鳍形结构增大了栅围绕沟道的面，加强了栅对沟道的控制，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，大幅改善电路控制并减少漏电流，也可以大幅缩短晶体管的栅长，也正由于该特性，FinfeT无须高掺杂沟道，因此能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迁移率。

结构

如右图所示，FinFET的主要特点是，沟道区域是一个被栅极包裹的鳍状半导体。沿源漏方向的鳍的长度，为沟道长度。栅极包裹的结构增强了栅的控制能力，对沟道提供了更好的电学控制，从而降低了漏电流，抑制短沟道效应。然而FinFET有很多种，不同的FinFET有不同的电学特性。下面根据衬底类型、沟道的方向、栅的数量、栅的结构，分别给予介绍。SOI FinFET 和体FinFET。根据FinFET衬底，FinFET可以分成两种。一种是SOI FinFET，一种是体FinFET。体FinFET形成在体硅衬底上。由于制作的工艺不同，相比于SOI衬底，体硅衬底具有低缺陷密度，低成本的优点。此外，由于SOI衬底中埋氧层的热传导率较低，体硅衬底的散热性能也要优于SOI衬底。

体FinFET，SOI FinFET具有近似的寄生电阻、寄生电容，从而在电路水平上可以提供相似的功率性能。但是 SOI 衬底的轻鳍掺杂FinFET，相比于体FinFET，表现出较低的节电容，更高的迁移率和电压增益的电学性能。

这种结构的特点有以下几点：

技术发展状况

在2011年初，英特尔推出了商业化的 FinFET，使用在其22nm节点的工艺上。台积电等主要半导体代工企业也已经开始计划推出自己的 FinFET。从2012年起， FinFeT已经开始向20nm节点和14nm节点推进。

未来的发展重点：在锗硅中实施P型掺杂以改善器件性能，优化锗上硅钝化层厚度，改善沟道栅缠绕效应。该项研究验证了采用鳍式场效应晶体管结构的锗―锗硅异构量子阱器件，不仅能提供应变能力，而且能增强沟道控制力。

采用鳍替代工艺实现了将II-V族材料应用于CMOS器件结构中。这一研究成果使此次将锗通过鳍替代工艺构成CMOS器件的沟道成为可能。这是实现单片异质集成，发展CMOS器件和片上系统的关键技术。

比利时微电子研究中心的下一代鳍式场效应晶体管研究是其核心CMOS项目的一部分。

应用

具有实用性的应变锗量子阱沟道P型金属氧化物半导体（MoS）鳍式场效应晶体管表明，鳍式场效应晶体管和三栅结构具备应用于7mm和5nm CMos器件的可能性。

自CMOS器件发展到90m技术以来，在器件中嵌入锗硅源极和漏极已经是一种产生应变硅增强P型MOS器件的普遍方法。器件尺寸的减少，使源极和漏极中实现应变的空间极为有限。采用薄型结构的鳍式场效应晶体管已经难以进一步微细化。将高应变材料直接应用于沟道将是CMOS器件继续微细化的可行途径。

比利时微电子研究中心在弛豫的锗硅缓冲层上生长出高应变锗沟道，已证明这种方法能够提高沟道电子迁移率，具有良好的按比例缩小沟道尺寸潜力。采用鳍式替代工艺制造应变锗沟道器件，对于在常规硅衬底上实现与其他器件的集成非常有用。建立在锗硅沟道缓冲层上的应变锗P沟道鳍式场效应晶体管的跨导峰值，在0.5V源漏电压下为1.3ms/μm，具有低至60mm栅长的良好短沟道控制能力。该器件亚阈值斜率跨导高于已宣布的弛豫锗鳍式场效应晶体管。

优势

FinFET器件相比传统的平面晶体管来说有明显优势。首先，FinFet沟道一般是轻掺杂甚至不掺杂的，它避免了离散的掺杂原子的散射作用，同重掺杂的平面器件相比，载流子迁移率将会大大提高。另外，与传统的平面CMOS相比，FinFET器件在抑制亚阈值电流和栅极漏电流方面有着绝对的优势。FinFET的双栅或半环栅等体鳍形结构增加了栅极对沟道的控制面积，使得栅控能力大大增强，从而可以有效抑制短沟效应，减小亚阈值漏电流。由于短沟效应的抑制和栅控能力的增强，finFET器件可以使用比传统更厚的栅氧化物，这样FinFET器件的栅漏电流也会减小。显然，FinFET优于PDSOI。并且，由于FinFET在工艺上与CMOS技术相似，技术上比较容易实现。所以已被很多大公司用在小尺寸IC的制造中。

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