鰭式場效應(yīng)晶體管的有利特性及目前的研究方向

繆曄辰

（西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710000）

0 引言

進(jìn)入后摩爾時代，集成電路尺寸達(dá)到納米尺度，傳統(tǒng)MOS器件逐漸達(dá)到其技術(shù)極限，無法忽略短溝道效應(yīng)。最初，為了抑制短溝道效應(yīng)，一般通過調(diào)整溝道摻雜濃度或改變柵極的構(gòu)成物質(zhì)等措施來改變閾值電壓；或者采用高K（介電常數(shù)）材料用作柵氧化層介質(zhì)材料，以獲得更小的柵極漏電流。雖然短溝道效應(yīng)在實(shí)施這些措施后得到了減緩，但隨著器件尺寸進(jìn)一步縮小，柵控能力沒有獲得有效提升。于是，為了突破這些困難，鰭式場效應(yīng)晶體管應(yīng)運(yùn)而生。

1 鰭式場效應(yīng)晶體管的概念

鰭式場效應(yīng)晶體管，全名“Fin Field-Effect Transistor”，是由胡正明教授提出的一種后摩爾時代的新型CMOS晶體管。

與平面型MOSFET結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)inFET在原本基礎(chǔ)的絕緣襯底上額外增加了一塊突起，稱作鰭，將原本的二維器件向三維擴(kuò)展。這種設(shè)計從面積上著手加強(qiáng)了柵的控制能力，縮減了晶體管的柵長并減少漏電流，從而在結(jié)構(gòu)上解決了平面器件無法避免的短溝道效應(yīng)。

目前在各地的研究者努力下，主要根據(jù)襯底不同F(xiàn)inFET形成了不同種類。一種是形成于體硅襯底上的鰭式場效應(yīng)晶體管，體FinFET。另一種形成于SOI襯底上，具有低節(jié)電容、高遷移率的特征。但是相比于體FinFET，SOIFET具有較高缺陷密度、成本偏高等缺點(diǎn)。

2 與傳統(tǒng)MOSFET相比的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)MOSFET，F(xiàn)inFET在很多方面具有明顯優(yōu)勢。在MOSFET中，門極長度代表了半導(dǎo)體制程的水平。但是自從長度小于20 nm之后，源漏極距離太小，會發(fā)生漏電現(xiàn)象；同時導(dǎo)電能力是由門極電壓控制的，長度越小，控制力越小。而恰恰是FINFET的出現(xiàn)解決了這一個問題，使長度減小時面積沒有因此受到影響。FINFET的鰭形結(jié)構(gòu)可以增加控制面積，從而抑制短溝效應(yīng)?；乇芏虦系佬?yīng)后，使其可以應(yīng)用厚的柵氧化物，進(jìn)一步減小柵漏電流。此外，溝道一般采用輕摻雜，從而解決摻雜原子散射的問題，并得到高載流子遷移率。此外，F(xiàn)inFET工藝未發(fā)生巨大改變，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)。

3 FINFET目前的部分研究進(jìn)程

作為后摩爾時代的一種新型器件，F(xiàn)inFET具有廣泛的發(fā)展空間和可研究性，各地的研究者從各種不同的出發(fā)點(diǎn)對此進(jìn)行了研究。

Lee的團(tuán)隊在2016年成功制備了AlGaN/GaN納米線Ω形柵FinFET，與傳統(tǒng)的AlGaN/GaN柵FinFET相比，其性能有了很大的提高：顯著的導(dǎo)通特性，導(dǎo)通電阻低，最大漏電流為1.1 A/mm；優(yōu)異的關(guān)斷性能，關(guān)斷漏電流低，理論SS值為-62 mV/dec，ION/IOFF比值高。此外，這種結(jié)構(gòu)下，有源鰭片體的完全耗盡以及鰭片與底層GaN緩沖層的完美分離，改善了直流特性。與傳統(tǒng)器件相比，使該器件性能提高的另一個原因是柵極可控性的提高。這種器件是陡變開關(guān)器件應(yīng)用的一個很有前途的發(fā)展方向。

Toshiyuki Tsutsumi在2018年結(jié)合三維工藝模擬和器件模擬，分析了絕緣體上硅三柵FinFET源漏擴(kuò)展區(qū)離子注入引起的閾值電壓（Vth）波動。Vth漲落主要與砷離子注入引起的瓶頸勢壘高度（BBH）以及滲流傳導(dǎo)有關(guān)。此外，通過研究還發(fā)現(xiàn)Vth漲落主要可以由器件的Si鰭的頂面中心線的BBH判斷。這一結(jié)果對今后此類器件的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。

同年，Liu的團(tuán)隊通過Slater部分與密度泛函理論(DFT)相結(jié)合的改進(jìn)方法，對亞10 nm超大規(guī)模Si1-xGex FinFET和柵全環(huán)晶體管（GAAFET）進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了類混合泛函的高精度和類GGA的高效率，對Si1-xGex FinFET和GAAFET中尺寸和成分相關(guān)的量子限制和能帶結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行了批量模擬。發(fā)現(xiàn)超尺度FinFET和GAAFET中的量子限域顯著提高了溝道的帶隙，具有更大的限制誘導(dǎo)帶隙增大、更低的直接源漏量子隧穿、更低的離態(tài)傳輸和低偏壓電導(dǎo)、更小的漏誘導(dǎo)勢壘降低。而調(diào)整溝道中的Ge組分，可以顯著提高帶隙和閾值電壓，顯著降低傳輸系數(shù)、低偏壓電導(dǎo)和源漏電流。

2019年，Kim的團(tuán)隊研究了一種具有SiGe溝道、鰭片結(jié)構(gòu)和高架漏極的新型隧道場效應(yīng)晶體管（TFET）。該團(tuán)隊觀測了高電平的通態(tài)電流ION和低電平的關(guān)態(tài)電流IOFF、雙極性電流IAMB。具體而言，其ION比Si對照組增強(qiáng)了24倍，比SiGe對照組增強(qiáng)了6倍。與SiGe控制組相比，IAMB可減少900倍。

2020年，Lee提出了一種I型SiGe TFET，并通過計算機(jī)輔助設(shè)計（TCAD）仿真驗(yàn)證了其有效性。與相同封裝面積的傳統(tǒng)FINTFET相比，提高了有效溝道寬度和導(dǎo)通電流，減小了閾下擺幅減小，降低了關(guān)斷電流。這些性能的提高歸因于有效溝道寬度的增加和I形鰭片結(jié)構(gòu)的柵極可控性的增強(qiáng)。此外，還研究了采用SiGe濕法刻蝕技術(shù)制備I形SiGe鰭片的工藝，優(yōu)化鍺冷凝工藝，可獲得鍺比大于50%的I形SiGe鰭片。這是在原有的工藝基礎(chǔ)上對制造工藝的一種新的探索。

4 結(jié)語

進(jìn)入后摩爾時代，總體趨勢上看，以Si為主的MOS技術(shù)正在逐漸走向極限；集成電路按比例縮小的規(guī)律會受到限制，但是仍將繼續(xù)延續(xù)。FinFET正是誕生于此，與平面型MOSFET結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)inFET在結(jié)構(gòu)上解決了平面器件無法避免的的短溝道效應(yīng)。目前，世界各地的FinFET研究并沒有完全的成熟，尚面臨一些問題，因此FinFET開始向各個分支發(fā)展，從而滿足不斷縮小的尺寸以及各種不同的需求。這種發(fā)展是一個復(fù)雜緩慢的過程，F(xiàn)inFET會面臨應(yīng)用等方面的種種問題。而在本文中提到的這些新的研究方向，將成為未來器件發(fā)展的基礎(chǔ)。