FinFET工艺论文

微电子

前沿（4）

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微电子前沿------ FinFET技术

引言：2015年，这是一个FinFET的时代，FinFET器件纷纷进入移动市场，苹果，三星，华为纷纷推出自己的使用了FinFET工艺的芯片。在16nm以及14nm制程时代，只有FinFET工艺才能稳定发展，三星、台积电目前的14nm/16nm都极其依赖于FinFET技术。而在2015年12月24日这一天，美国公布了9名国家科学奖获得者和8名国家技术和创新奖获得者的名单，美籍华人科学家胡正明荣获年度国家技术和创新奖，没错就是鳍式场效晶体管（FinFET）的发明者。

为什么现在FinFET能主宰微电子前沿领域，没有使用这个技术的芯片只能落后于这个时代？

因为，早期的IC制程基本都是基于传统的平面型晶体管结构,平面型晶体管指的是MOSFET的源极、漏极、栅极和沟道的横截面处于同一平面上的晶体管。虽然平面型晶体管技术发展至今已经相当的成熟,成本也日趋低廉,但随着特征尺寸的不断缩小,漏电流和短沟效应对性能的严重影响使得平面晶体管技术已达到瓶颈阶段。而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，可以实现平面工艺无法达到的界限。这样，在这个超级集成度的芯片时代，使用FinFET技术无可避免。

1FinFET概述

FinFET称为鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor；FinFET)是一种新的互补式金氧半导体(CMOS)晶体管。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。闸长已可小于25纳米，未来预期可以进一步缩小至9纳米，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-Effect Transistor；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。

随着近年来对FinFET器件的白热化研究,现在的FinFETs已经发展成一个大的家族。从是否有SiO2埋氧层以及其特点出发,分为Silicon-on-Insulator(SOI)FinFET,Bulk FinFET,Body-onInsulator(BOI)FinFET等。

2FINFET 器件结构

体硅 FINFET 器件结构如下图1所示。从图中可以看出，硅 FIN 结构的两个侧面和顶部均被栅电极（Gate）所包围，形成导电沟道（为了适当的调节多栅极 MOSFET 的阈值电压， 可以选择中间带隙栅极材料， 另外一种选择是采用多晶硅栅并且通过提高沟道掺杂浓度增加阈值电压）; 源漏（S/D）分布在两侧。体硅FIN Body与硅衬底 （Si Substrate） 直接相连， 形成体硅FINFET 结构； 氧化层 （Oxide）形成栅介质（Gate Oxide）和器件隔离区（STI） ，栅极和硅鳍之间为 SiO2氧化层,其目的是为了抑制栅极漏电流。

由于 FINFET 器件具有上述独特的结构特点，因而与平面器件相比，具有多方面的优点。如下图 2所示为平面器件结构示意图，由图中可以看出：传统的2-D 平面晶体管在导通状态时在栅电极下面形成一个导电沟道，而上图中的 3-D 三栅 FINFET 晶体管在垂直 FIN 结构的三边形成导电沟道， 实现全耗尽的工作模式。由于栅电极从三边控制硅 FIN,因而三栅 FINFET 结构具有更好的沟道控制能力和更好的亚阈值斜率。此外，可以看出 FINFET 结构为准平面结构，制备方法简单, 与 CMOS工艺兼容性好， 与平面器件相比， 其工艺成本只增加了大约2-3%。

图一 体硅FinFET器件结构示意图

图2 传统平面晶体管三维结构示意图

此外，由于 FINFET 器件独特的结构特点，也对其电学性能产生了较大的影响。如图 3所示，为平面器件与三栅 FINFET 器件的亚阈值特性曲线比较。由图中可以看出，FINFET 结构因为其全耗尽的特征而提供了更陡峭的亚阈值斜率因而减小了泄漏电流，与平面器件相比，三栅 FINFET 器件的泄露电流由1e-7A/um降至 1e-8A/um,泄露电流减小了一个数量级。 更陡峭的亚阈值斜率同样可以用来实现更低的阈值电压，这样就可以允许晶体管工作在更低的电压之下，从而可以减小功率，改善开关速度。

图3 平面器件与三栅 FINFET 器件的亚阈值特性曲线比较

图4 晶体管栅极延迟随工作电压的变化曲线

如上图 4所示为晶体管栅极延迟随工作电压的变化曲线， 从中可以看出与32nm平面器件相比，22nm平面晶体管栅极延迟降低了 18%，可以提供一些性能的改善， 但是在低工作电压时栅极延迟依然较差。 而与 32nm平面器件相比， 22nm三栅 FINFET 晶体管栅极延迟降低了 37%，可以在高电压时提供改善的性能，并且在低电压时提供前所未有的性能增益。

三栅晶体管可以将多个 FIN 结构连在一起，从而增加总的驱动能力以实现高性能。如上图所示，图（a）为 22nm三栅 FINFET 晶体管多个 FIN 连在一起的结构示意图，图（b）为 Intel 制造的 22nm 三栅晶体管的电子显微镜图片，由图中可以直观的看出三栅晶体管的结构特点。

综上所述，可以清楚地看出：与平面器件相比，FINFET 结构具有更好的沟道控制能力和更好的亚阈值斜率，可以提供更小的泄露电流和更小的栅极延迟以及更大的电流驱动能力，具有多方面的优势，在 22nm 技术代及以下有着良好的应用前景。

3 FINFET器件参数影响

MOS 管的设计中， 不同的器件结构会对器件的性能产生较大的影响。 FINFET器件中比较重要的结构参数有 Lg（栅长 )、Nsub(衬底的掺杂浓度)、TFIN(硅 FIN的厚度 )、HFIN(硅 FIN 的高度 )、硅 FIN 的角度、Tox(栅极氧化层厚度 ) 、WFgate(栅极功函数)而硅 FIN 结构是 FINFET 结构中的关键部分，因此本节中重点研究 FIN 角度、FIN 高度、FIN 厚度、栅极氧化层厚度以及埋层氧化层结构对器件性能的影响。

(1)FIN 角度对器件性能的影响

FIN body 角度的不同会对 FINFET 器件的性能产生不小的影响。如下图 5所示，为栅长为 30nm的 FINFET 器件的 DIBL（漏致势垒降低）与 SS（亚阈值斜率）随 FIN 角度的变化曲线，从图中可以看出，随着 Fin body 的角度接近 90度，DIBL 和 SS 也随之减小。对这一变化趋势可以做出如下解释：在保持 FIN 结构顶部尺寸不变的情况下，随着 FIN 角度接近 90度，FIN 结构变得越来越窄，从而增加了多个栅极之间的耦合作用，使得栅极对于沟道的控制能力加强，因而减小了短沟道效应的影响（DIBL 减小） ，改善了亚阈值特性(SS 减小)。 此外，随着栅极长度的减小，直角的 FIN 结构对短沟道效应（SCE）的改善作用也会进一步的凸显出来：会产生更小的 SS 和更小的 DIBL。

图5 漏致势垒降低与亚阈值斜率随 FIN 角度变化曲线

（2） FIN 高度对器件性能的影响

下图6中给出了栅长为 50nm的 SOI FINFET 和体硅 FINFET 器件亚阈值斜率和阈值电压随硅岛高度的变化曲线。从图中可看出，相对于体硅 FINFET 来说，SOI FINFET 的亚阈值斜率和阈值电压随硅 FIN 高度的变化幅度比较小。但是当硅 FIN 的高度从 200nm缩小到 20nm时，对于体硅 FINFET 器件来说，其阈值电压和亚阈值斜率均发生了较大的变化。阈值电压和亚阈值斜率都随着硅岛高度的变小而变大。有文献中分析认为由于衬底是体硅材料，随着硅 FIN 高度的变小， 使得器件的结构逐渐向平面体硅器件趋近， 对于短沟道效应的抑制作用变差，SS 增大。

图6 亚阈值斜率、阈值电压随硅 FIN 高度变化曲线

图7中给出了体硅 FINFET 器件亚阈值特性随硅 FIN 高度的变化曲线, 从图中可以看出随着硅岛厚度的变化，体硅 FINFET 器件的驱动电流与泄露电流均没有太大的变化，此外可看出硅岛高度越小, 曲线的斜率越小, 即亚阈值特性越差，这也与上图中的趋势保持一致。因此可以得出结论，在设计体硅 FINFET 器件时,FIN 的高度不能太小, 要保持足够的高度来抑止短沟道效应。

图7 亚阈值特性随硅 FIN 高度变化曲线

（3） FIN 厚度对器件性能的影响

硅 FIN 厚度对于 FINFET 器件中的短沟道效应（SCE）有着重要的影响。由于等比例缩小的限制，对于 FINFET 结构中硅 FIN 厚度的选择有一定的限定，即要使 SCE 影响降到足够小的必要条件是硅 FIN 厚度 TSi<1/4LG。有上述公式可以看出，当 LG小于 50nm 时，TSi数值将十分小，甚至小到用普通图形转移技术也难以实现的程度，这将极大的增加工艺制造的难度，限制小尺寸 FINFET 结构的可行性。

而上述理论是双栅器件在沟道掺杂为低浓度的 UCD 掺杂（均匀沟道掺杂）下得出的，若适当的增加沟道掺杂浓度或采用合适的沟道掺杂剖面，可以使最大 TSi数值得到增加。另一方面，我们注意到体硅 FINFET 结构实际上是一个三栅（Triple Gate）结构，硅 FIN 被栅电极三面包裹起来，如图 1中的结构示意图所示。依据 Davinci 的器件模拟结果表明，在三栅结构下，由 SCE 限定的硅 FIN厚度范围被增大了，所得结果如下图8所示，图中对比了自对准双栅和三栅结构所允许的最大硅 FIN 厚度和栅长的关系。本次模拟中是通过计算不同栅长下使得阈值电压漂移小于 0.05V 所允许的最大TSi数值来设计对硅 FIN 厚度的限制。模拟结果中，三栅结构对应的最大硅岛厚度比相应双栅的大 50％以上， 同时随栅长增加而更大。综合上述理论分析和实际工艺制作能力，对于实际栅长为50nm的器件，其最大TSi数值范围在 50-100nm之间。

图8 Davinci模拟中SCE限制所决定的自对准双栅与三栅器件结构的最大硅 FIN厚度和栅长关系的对比

图9给出了亚阈值特性随硅 FIN 厚度的变化曲线,可以看出随着硅FIN厚度的减小,亚阈值曲线变得越来越陡峭,即SS随锗硅FIN厚度的变小而变小。此外，由上图可以看出，驱动电流随着硅FIN厚度的变小也变小,这是因为硅 FIN越薄, 器件的串连电阻越大,从而降低了器件的驱动能力。

图9 亚阈值特性随硅 FIN 厚度变化曲线

图10是器件的阈值电压和亚阈值斜率随硅 FIN 厚度 Tsi 的变化曲线。从图

中可以看出, 硅 FIN 的厚度对器件的亚阈值特性有着很大的影响, 随着硅 FIN 厚

度的减小，亚阈值斜率也随之减小而趋近于理想值 60mV /dec。这是因为随着硅

FIN 厚度的减小，栅极对沟道的控制能力会逐渐增大，从而对短沟道效应的抑制

作用也会越来越大。

综上所述，可以看出硅 FIN 的厚度对于器件的性能有很大的影响，为了有效

地降低短沟道效应的影响，应该保证硅 FIN 的厚度小于 SCE 所限制的最大 Tsi 厚

度；此外应当减小硅 FIN 的厚度；但硅 FIN 的厚度太小的话会影响器件的驱动能

力，因此需要折衷考虑。

图10 阈值电压、亚阈值斜率随硅 FIN 厚度变化曲线

（4） 栅极氧化层厚度对器件性能的影响

栅极氧化层厚度对器件性能有着重要的影响。由于等比例缩小技术的限制，随着集成电路的发展，栅极氧化层厚度也变得越来越小。减小栅极氧化层厚度能带来许多好处：抑制短沟道效应 SCE， 提高等比例的可缩小性； 提高驱动电流 Ion；控制阈值电压等。但是栅极氧化层厚度 Tox 在减小的同时，外加的栅极电压 Vg 给绝缘层施加了负载电场也变得更大，从而产生了更大的栅极漏电流。大量的实验结果表明，对于超薄栅氧化层（<3nm） ，其栅极漏电流密度（Jg）随栅极电压 Vg 的上升而急剧的上升，2nm厚的栅极氧化层在 1.2V 的栅极电压下，栅极漏电流密度（Jg）可以达到 100mA/cm2，这会影响 MOS 器件正常的工作。此外，随着栅极氧化层厚度 Tox 的减小，也会引起阈值电压的漂移。因此，在小尺寸器件中，为了抑制栅极漏电流和阈值电压漂移现象，需要对栅极氧化层进行精心的设计。

FINFET 器件中确定栅极氧化层 Tox 的方法，类似于平面器件中的，如上面所论述的一样，主要受到栅极漏电流和 SCE 要求的限制。由于多栅器件结构本身能够良好的抑制 SCE，因此其对 Tox 的要求要低于相同掺杂浓度下的传统平面器件。下图11中给出了在 UCD 掺杂下使得阈值电压漂移小于0.05V 所允许的最大Tox与栅长L的模拟关系结果。从图中可以看出，在 UCD=1×1018cm-3的掺杂条件下，栅长LG为50nm的 FINFET 器件所对应的最大 Tox 为 1.65nm，而平面器件需要0.6nm，因此可以看出在 FINFET 器件的设计中放宽了对于栅极氧化层Tox 的要求，所以在实际 FINFET 器件的制作中可以使用相对较厚的栅氧化层。

图11 FINFET 器件和平面器件所允许的最大栅氧化层厚度与栅长的关系

4 FINFET的优势

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。图12展现了Fin的掺杂对载流子迁移率的影响。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的双栅或半环栅等立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。 图13为FinFET与PDSOI(平面的全耗尽超薄晶体管,在平面晶体管中属于前沿技术)对漏电压感应源势垒下降效应(DIBL)的控制作比较。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。 所以目前已被很多大公司用在小尺寸IC的制造中。

图12 Fin 的掺杂对载流子迁移率的影响

图13 FinFET 和 PDSOI 对 DIBL 的控制能力

5 FinFET面临的挑战

和其他新技术一样，FinFET器 件设计也提出了一些挑战，特别是对 于定制/模拟设计。一个挑战被称为“宽度量化”，它是因为FinFET元件最好是作为常规结构放置在一个网格。标准单元设计人员可以更改的平面晶体管的宽度，但不能改变鳍的高度或宽度的，所以最好的方式是提高驱动器的强度和增加鳍的个数。增加的个数必须为整数-你不能添加四分之三的鳍。

另一个挑战来自三维技术本身，因为三维预示着更多的电阻的数目（R）和电容（C）的寄生效应，所以提取和建模也相应困难很多。设计者不能再只是为晶体管的长度和宽度建模，晶体管内的Rs和Cs，包括本地互连，鳍和栅级，对晶体管的行为建模都是至关重要的。还有一个问题是层上的电阻。 20纳米的工艺在金属1层下增加了一个局部互连，其电阻率分布是不均匀的，并且依赖于通孔被放置的位置。另外，上层金属层和下层金属层的电阻率差异可能会达到百倍数量级。

还有一些挑战，不是来自于FinFET自身，而是来至于16nm及14nm上更小的几何尺寸。一个是双重图形，这个是20nm及以下工艺上为了正确光蚀/刻蚀必须要有的技术。比起单次掩模，它需要额外的mask，并且需要把图形分解，标上不同的颜色，并且实现在不同的mask上。布局依赖效应（LDE）的发生是因为当器件放置在靠近其他单元或者器件时，其时序和功耗将会受影响。还有一个挑战就是电迁移变得更加的显著，当随着几何尺寸的缩小。

从最近的新闻来看，据市调机构Gartner报告，各大晶圆厂原订2014年第3季量产16/14纳米制程FinFET芯片，目前各大厂进程比当初原订计划延后至少2~4季，分析师认为主要肇因于技术和成本的挑战。

Semiconductor Engineering网站指出，各大晶圆厂导入FinFET技术后，面临预期之外的技术掌握困难，包括新的多重曝光(multiple patterning)流程、芯片良率(yield)以及后端制程衔接等调整。

英特尔为提升芯片良率，比原订计划晚几个月开始导入14纳米制程FinFET芯片，至2014年底才生产，导致下游厂商Altera也将其14纳米FPGA生产日期从2014年延至2015年底。而其他晶圆代工厂与下游厂商，在FinFET相关产品线亦有类似延后生产情形。

半导体业者在转型FinFET之路上，面临设计、生产、以及成本三方挑战。台积电共同执行长刘德音指出，新型芯片使得电路设计和系统软体愈趋复杂，以前只需要1年前开始准备，现在则需更多时间与资源，大幅提高成本。

此外，工程师需要依据16/14纳米制程的双重曝光(double patterning)技术，重新设计作业流程，16/14纳米制程也更需要考量光罩(mask)层次的标色分解与布局。产制流程也将面临很大技术挑战，像是晶圆蚀刻、测量、缺陷检测等设备都需投注大笔资金进行升级。

GlobalFoundries设计研究部门董事Richard Trihy表示，双重曝光影响到整个设计制程，像是寄生电容抽取与变动(parasitic extraction and variation)与设计规则检查(DRC)工具等等，各大晶圆厂也正引进电子设计自动化(Electronic Design Automation;EDA)工具，降低FinFET对工程师的转型冲击。

而资本是生产FinFET芯片最大的挑战，根据Gartner资料，传统28纳米平面型电晶体设计价位约3，000万美元，中阶14纳米单芯片(SoC)设计定价则在8，000万美元左右，成本相差近3倍。

若加上程式开发与光罩成本还要加上60%成本价，高阶SoC更是中阶SoC的双倍价格。也因为造价昂贵，许多只付得起28纳米芯片的厂商，暂时将不转战FinFET市场。

FinFET的人力开发与时间成本更是高昂，50人工程师团队设计一组14纳米中阶SoC，得耗时4年方能完成，还要再耗费9~12个月进行原型(prototype)产制、测试与认证后才能量产，而这都是未失败的前提下。

尽管英特尔在FinFET市场领先2~3年起步，但其14纳米芯片制程延后，也给了竞争对手急起直追的机会。台积电于2014年对外揭露， 2015年度将暂以20纳米制程为主，2016年再聚焦FinFET。

三星则直接放弃20纳米制程，决定于2015年全心迎战FinFET市场，于2015年2月推出搭载8核心、64位元ARM处理器的Exynos 7420，也宣布14纳米制程进入量产。据投资机构Pacific Crest Securities消息，下一代iPhone的处理器订单也将交由三星生产。

Pacific Crest Securities表示，目前三星14纳米制程每月晶圆投片量(wafer starts per month;WSPM)约1.1万，占其12吋(300mm)晶圆厂产能10%，而三星也将移转部分28纳米制程产能至14纳米制程，将14纳米制程WSPM提升至4.6万。

GlobalFoundries也技转自三星14纳米制程技术，其位于纽约的晶圆厂具3万WSPM产能，将于2015年稍晚进入FinFET生产流程。

台积电则预计2015年中开始量产16纳米FinFETFET，且计划于2016年底达到10万WSPM产能。FinFET技术导入计划一延再延，终于在2015年逐渐上轨，全球半导体大厂正摩拳擦掌，准备抢食这块晶圆大饼。

6 FinFET的前景

虽然半导体产业转型至16/14纳米鳍式场效电晶体(FinFET)制程的过程艰困且昂贵，包括制造时间、测试技术、封装技术等等都是挑战。

但是，整个半导体产业进入FinFET时代就像一股不可逆转的列车，如果谁被抛弃在后面，那么很难再迎头赶上潮流。

在2011年初，英特尔公司推出了商业化的FinFET，使用在其22纳米节点的工艺上。从IntelCorei7-3770之后的22纳米的处理器均使用了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）等主要半导体代工推出自己的FinFET晶体管。从2012年起，FinFET开始向20纳米节点和14纳米节点推进。现在几乎所有的主流厂商都进入了14nm节点。在未来两年，还会进入10nm线程。由此可见，FinFET技术的发展前景，可以说，假如未来芯片线程进入个位数时代，FinFET技术也不会过时。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3dfeec1085868762caaedd3383c4bb4cf6ecb771.html