最全FinFET技术解析

晶体管是什么

晶体管最主要作用是控制电流的导通和关断，但是当MOS内闸机沟道微缩到一定程度时，其关断的效果将大打折扣，并且漏电流将产生严重影响。并且在芯片中多个晶体管的密排和串并联会产生相互干扰，其抗干扰能力低，会导致栅极不能有效工作，进而使整个器件失效（短沟道效应）。因为平面的工艺发展到20nm后，业界发现其沟道距离缩减所带来的开关能力变弱，所以只能另想办法。

典型平面MOS管 电镜图（图源：google 搜索）

于是乎，在1999年加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了FinFET技术（三维鳍式场效应晶体管），一举开创了新的MOS结构时代。在2009年intel公司率先采用这种技术，在22nm工艺节点上研发出了第一代体硅FinFET晶体管。

体硅FinFET图（图源：网络搜索）

体硅FinFET结构

如上图所示，其FinFET中的“鳍”被闸极电极所环绕包裹，漏极和源级分别位于左右，形成立体结构。并且这种体硅FET制造的工艺流程为：

对于硅基的平面上沉积的隔离介质层进行刻蚀，形成凹槽。

然后在刻蚀出硅岛，形成凹槽结构。

MEMS体硅结构SEM图（图源：网络搜索）

当然体硅加工的工艺早已经十分成熟，并且还能构造各种3维结构。其中FinFET的鳍式结构沟道与衬底直接接触增大了接触的距离，并且散热和关断能力都有着显著改善。但是体硅工艺较为复杂，并且鳍的刻蚀有着各向异性控制和加工精度等问题。

3 Gates和GAAFET技术

FinFET不光是一种结构，还在Intel、三星等大厂的研究下变出了许多结构。三栅极结构是Intel在2014年14nm工艺推出的一种新型结构，每个Fin都变高的同时，距离也变短，可以进一步缩小晶体管的体积。

三星的GAAFET（gate-all-around FET）技术，又使得FinFET技术更上一层楼，早在2019年三星就对外宣布，在其最新3nm工艺节点开发GAAFET结构，并且还将在2020年量产GAAFET的变种----MBCFET结构，通过利用更宽的纳米片来获得比GAA更多的接触面积，从而实现更低的导通阈值电压和更强的通流能力。

FinFET技术路线图（来源：三星电子）

π栅极和Ω栅极

SOI和体硅工艺感兴趣的小伙伴可以自行百度，我们接下来介绍一下π栅极和Ω栅极，在FinFET蓬勃发展的今天，各种工艺和设计带来了不同的结构设计，π栅和Ω栅因为其界面形状不同而得名（其实和GAA一样），但是其本质都是一种3维尺度上做出来的FET。

左图为π栅  右图为Ω栅（来源：google搜索）

在科技发展的今天，无论是GAA还是MBCFET 其都依靠着工艺材料和设备的进步，而这背后是数千万科学技术工作者不竭奋斗的结果。只有这些不同的想法和尝试才能造出不同的电子器件，创造力一直是科学发展的源泉。

工艺和设计相辅相成，好的工艺技术推动设计的发展，新的设计思路带来新的工艺路径，二者两者都需要持之以恒的研究和独立思考的能力。中国国产化的大潮已经汹涌而来，那你还不拿起笔来设计属于你的新型半导体吗？

责编：我的果果超可爱

参考：

FinFET器件结构发展综述

Fabrication of AlGaN/GaN Ω-shaped nanowire fin-shaped FETs by a top-down approach

三星最新3nm GAAFET技术将在2024年量产

FinFET的技术路线