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FinFET与芯片制程

作者:互联网

FinFET与芯片制程

芯片制造商已经在基于 10nm 和/或 7nm finFET 准备他们的下一代技术了,但我们仍然还不清楚 finFET 还能坚持多长时间、用于高端设备的 10nm 和 7nm 节点还能延展多久以及接下来会如何。

在 5nm、3nm 以及更小节点,半导体行业还面临着巨大的不确定性和许多难题。即使在今天,随着每个节点的工艺复杂度和成本的上升,传统的芯片尺寸缩减也在放缓。因此,能够负担先进节点芯片设计的客户越来越少。

理论上,正如英特尔所定义的那样,finFET 有望延展到 5nm 节点。(一个完整延展的 5nm 工艺大致相当于代工厂的 3nm)。不管这些让人困惑的节点名称是啥,finFET 很可能将在 fin 宽度达到 5nm 时寿终正寝。所以在 5nm 或更先进的节点,芯片制造商将需要一种新的解决方案。否则传统的芯片缩放将会放缓或完全停滞。

一段时间以来,芯片制造商已经为 5nm 及以后节点探索了各种各样的晶体管。到目前为止,仅有三星提供过细节。该公司推出了自己的技术路线图,其中包括实现一种 nanosheet FET。

其它芯片制造商也倾向于同一时间框架内的相似结构,即使它们还没有公开宣布它们的意图计划。 nanosheet FET 和其它变体、nanowire FET 都是属于环绕栅极(gate-all-around)类别。其它变体还包括hexagonal FET、nano-ring FET 和 nanoslab FET。

什么是FinFET?

FinFET称为鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor)是一种新的互补式金氧半导体(CMOS)晶体管。FET 的全名是“场效电晶体”,先从大家较耳熟能详的“MOS”来说明。MOS 的全名是“金属-氧化物-半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)”,构造如图一所示,左边灰色的区域(矽)叫做“源极(Source)”,右边灰色的区域(矽)叫做“汲极(Drain)”,中间有块金属(绿色)突出来叫做“闸极(Gate)”,闸极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),因为中间由上而下依序为金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为“MOS”。

 

 

 图1

沟槽宽度的减小,可以带来如下的优点:

 

(1)沟槽宽度对应着D到S极的距离,沟槽宽度减小,载流子流动跨越沟道的导通时间减小,这样允许工作的开关频率就可以提高;

(2)沟槽宽度小,沟道完全开通所加的G极电压可以降低,导通更容易,开关损耗降低;

(3)沟槽宽度减小,沟道导通电阻降低,也更一进降低导通损耗。

 正因为这些优点,也驱使半导体制造公司不断的采取新的工艺,追求更低的工艺尺寸,来提升半导体器件的性能、降低功耗。

 

 

 图2:变形的平面横向导电MOSFET结构

 图2右上角为平面MOSFET的结构,实际的结构稍微变形,如图2下方的所示,G极同样也是跨在D和S之间,G极下面为绝缘的氧化层。

从模拟或IP设计人员的角度来看,上述设计方法(鳍片由晶圆代工厂实施)并非首选模型。这些设计人员希望能获得更大的自由度,以减少渗漏、匹配驱动能力、提高频率响应以及推动电气和几何限制,而这些都是固定鳍片无法做到的。根据其性质,这种设计是定制的,而无法控制鳍片数量或大小对于其中很多设计人员来说是非常别扭。

 

 

 图3

对于从28nm或以上工艺跳到FinFET工艺的定制、模拟或IP设计人员来说,这种设计是革命性的,但不一定是字面上的“全新改良”。虽然有工具创新来缓和这种过渡,进行这种设计的方法与其习惯的设计手法相比可能更显严格。采用传统MOSFET工艺,这些设计人员设计定制化的晶体管包括定制其尺寸和方向。对于FinFET,设计人员将通过更少的变量来达成所需的电气响应。可以通过FinFET 工艺来完成先进的模拟设计,但需要对设计方法进行重大改变,且可能需要更多的实验。

2、传统平面结构的限制

 

近些年来,半导体工艺不断的向着微型化发展,基于传统平面MOSFET结构的晶胞单元不断的缩小,漏、源的间距也不断的减小,G极下面的接触面积越来越小,G极的控制力就不断的减弱,带来的问题就是不加栅极电压时漏源极的漏电流增加,导致器件的性能恶化,同时增加了静态的功耗。

 

增加G极面积的方法,就必须采用新的结构,如三维结构。三维的G极结构有二种类型:一是双栅极结构,二是Fin型结构,也就是非常有名的鳍型结构,如下图所示。

 

(a):双栅极结构

 

 

 G极不加电压   单G极加电压   双G极加电压  

(b):导通沟道

图4:双栅极结构及导通沟道

 

双栅极结构形成二个沟道,减小沟道的导通电阻,增强了通流的能力和G极对沟道的控制能力。

 

图5:Fin鳍型结构

 

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Gate宽度。

 

参考链接:

http://www.51hei.com/bbs/dpj-76202-1.html

https://www.sohu.com/a/108777952_467791

 

 

标签:芯片,沟道,制程,导通,FinFET,FET,设计,结构
来源: https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/15022478.html