详解先进的半导体工艺之FinFET

FinFET称为鳍式场效晶体管（FinField-EffectTransistor;FinFET）是一种新的互补式金氧半导体（CMOS）晶体管。闸长已可小于25奈米。该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授。Fin是鱼鳍的意思，FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

发明人

该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明（ChenmingHu）教授。胡正明教授1968年在台湾国立大学获电子工程学士学位，1970年和1973年在伯克利大学获得电子工程与计算机科学硕士和博士学位。现为美国工程院院士。2000年凭借FinFET获得美国国防部高级研究项目局最杰出技术成就奖 （DARPAMostOutstandingTechnicalAccomplishmentAward）。他研究的BSIM模型已成为晶体管模型的唯一国际标准，培养了100多名学生，许多学生已经成为这个领域的大牛，曾获Berkeley的最高教学奖;于2001~2004年担任台积电的CTO。

胡正明（ChenmingHu）教授

FinFET的工作原理

FinFET 闸长已可小于25nm，未来预期可以进一步缩小至9nm，约是人类头发宽度的1万分之1。由于在这种导体技术上的突破，未来芯片设计人员可望能够将超级计算机设计成只有指甲般大小。FinFET源自于传统标准的晶体管—场效晶体管（Field-EffectTransistor;FET）的一项创新设计。在传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流（leakage），也可以大幅缩短晶体管的闸长。

发展状态

在 2011年初，英特尔公司推出了商业化的FinFET，使用在其22nm节点的工艺上。从IntelCorei7-3770之后的22nm的处理器均使用了FinFET技术。由于FinFET具有功耗低，面积小的优点，台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）等主要半导体代工已经开始计划推出自己的 FinFET晶体管，为未来的移动处理器等提供更快，更省电的处理器。从2012年起，FinFET已经开始向20纳米节点和14nm节点推进。

在所有的实际应用中，体硅和SOI晶圆具有类似的性能和成本;但是，由于体硅FinFET器件具有更大的工艺差异性而使得制造变得更具挑战性。体硅晶圆加工的高差异性使其最终产品的性能变得不可预测。我们发现，两种工艺方案具有类似的直流DC和交流AC特性。与SOIFinFET相比，PN结隔离 FinFET器件性能将会受到寄生电容增大5%～6%得影响。

采用PN结隔离的体硅FinFET器件的工艺流程

与此相反，对工艺差异性的比较表明，SOIFinFET器件可能具有更好的匹配特性。在SOI工艺中，"鳍"的高度和宽度可能更加容易控制，而体硅工艺则在制造和工艺控制方面面临着更为严峻的挑战。

SOIFinFET器件和PN结隔离体硅FinFET器件的差异性比较

SOIFinFET、体硅FinFET和平面晶体管的性能比较

在22nm技术节点阶段，对提高器件密度的期望使得FinFET器件开始具有比平面技术更为实在的优势。

首先，接触栅极的节距必须按比例缩小到小于约束栅constraininggate的长度，也就是要小于所有高性能晶体管的沟道长度。FinFET器件本身所具有的短沟道性能优势将可以进行上述的按比例缩小，而不会产生在平面晶体管中由于需要进行大面积沟道掺杂所引起的有害效应。

同时，对 SRAM位单元的期望已开始规定对每个独立晶体管在差异性上的要求。未掺杂的体硅FinFET器件，正如大多数重点研究所关注的，是需要消除注入掺杂浓度的随机波动（RDF）对器件差异性的影响，对于低工作电压的高性能SRAM位单元来说，去除这种RDF可能是必需的。

SOIFinFET和PN结隔离体硅FinFET器件的成本对比

SOI和体硅FinFET器件的总成本之差（相对于总的晶圆制作成本）

SOIFinFET由于增加了基片的成本，使其总的器件成本有所增加。但在大批量生产中，这种基片成本的增量将在很大程度上能抵消由于体硅器件复杂工艺造成的成本增量。

掌握 FinFET 技术，就是掌握市场竞争力

简而言之，鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到 20 纳米以下的关键，拥有这个技术的制程与专利，才能确保未来在半导体市场上的竞争力，这也是让许多国际大厂趋之若骛的主因。值得一提的是，这个技术的发明人胡正明教授，就是梁孟松的博士论文指导教授，换句话说，梁孟松是这个技术的核心人物之一，台积电没有重用梁孟松继续研发这个技术，致使他跳糟到三星电子，让三星电子的 FinFET 制程技术在短短数年间突飞猛进甚至超越台积电，这才是未来台湾半导体晶圆代