FinFET,当今半导体行业最主流的技术

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在现在的半导体行业当中,无论台积电、三星还是英特尔,都将FinFET技术作为最主要的技术进行半导体生产。

在FinFET(鳍式场效晶体管)发明之前,半导体行业普遍采用的是Bulk CMOS工艺技术进行半导体的生产制作。不过,Bulk CMOS工艺技术有一个非常大的缺陷,那就是当半导体栅极长度逼近20nm大关时,对电流控制能力急剧下降,漏电率相应提高,也就是说利用Bulk CMOS工艺技术生产的半导体,其制程极限为20nm。

早在1999年前后,美国就已经意识到这个问题的严重性了,并且预测到2010年时Bulk CMOS(体硅)工艺技术会在20nm走到尽头。于是,由美国国防部高级研究计划局出资赞助,胡正明教授在美国加州大学领导着一个研究小组开始研究如何让CMOS技术拓展到25nm及以下领域。

当时胡教授提出了有两种解决途径:一种立体型结构的FinFET晶体管(鳍式晶体管,1999年发布),另外一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术 (UTB-SOI,也就是FD-SOI晶体管技术,2000年发布)。

FinFET和FD-SOI工艺的发明得以使10nm/14nm/16nm摩尔定律在今天延续传奇。也就是说,在现在的半导体行业,其实只有2种技术方向,FinFET和FD-SOI,而无论哪种方向,其背后的发明人都是胡正明教授。

就现在的半导体工业而言,FinFET技术无疑是各大半导体科技厂商的首选,因为无论台积电、三星还是英特尔选择的都是FinFET技术作为自己的主流技术方向,而选择FD-SOI作为自己主流技术方向的科技大厂则几乎只有格罗方德一家,而格罗方德无疑是以上几个半导体巨头中技术实力最为薄弱的一个。就近几年的半导体发展来看,以台积电和三星为代表的FinFET无疑是在一路高歌猛进,而选择FD-SOI的战果则实在难看,甚至连14纳米都没能开发出来,最后还得向三星寻求FinFET授权。

这里简单地讲解一下FinFET技术,FinFET是由胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了,实现了两点突破,一是把晶体做薄后解决了漏电问题,二是向上发展,晶片内构从水平变成垂直即二维变成三维。

FinFET结构看起来像鱼鳍,所以也被称为鳍型结构,其最大的优点是Gate三面环绕D、S两极之间的沟道(通道),实际的沟道宽度急剧地变宽,沟道的导通电阻急剧地降低,流过电流的能力大大增强;同时也极大地减少了漏电流的产生,这样就可以和以前一样继续进一步减小栅长。

FinFET呈立体板状结构,闸极与通道之间的接触面积变大了,即使擅长缩小到 20nm以下,仍然可保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到漏极,因此可以更妥善的控制电流,同时降低漏电和动态功率耗损。这就是为摩尔定律“续命”的原因了。

至于FD-SOI,其实FD-SOI并比FinFET落后。与FinFET技术相比,FD-SOI的优势其实更为明显。

FD- SOI(全耗尽绝缘层上硅)技术仍然采用平面型晶体管,其硅薄膜可自然地限定源漏结深,同时限定了源漏结的耗尽区,从而可改善DIBL(漏致势垒降低)等短沟道效应,改善器件的亚阈特性,降低电路的静态功耗。此外,FD-SOI晶体管无需沟道掺杂,可以避免RDF(随机掺杂涨落)等效应,从而保持稳定的阈值电压,同时还可以避免因掺杂而引起的迁移率退化。

体偏压技术(body-bias)是FD-SOI技术所独有的特点,也是让该技术最受关注的特点。通过把硅做得极薄,让它可以全部耗尽,所以不会再漏电流。如果再将氧化硅层做的非常薄,同时放入偏置装置(bias),就可以调节控制这个晶体管。如果放入的是正偏压,可以实现性能快速增强;如果放入的是负偏压,我们实际上可以关掉该装置。让它实现很低的漏电流,大概是1pA/micron的水平。

FD-SOI向后兼容传统的成熟的基板CMOS工艺。

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