互補MIS鰭式場效應晶體管（FinFET）的專利技術綜述

張磊

摘 ?要：FinFET鰭式場效應晶體管，作為一種新型結構的互補式金屬氧化物半導體晶體管，具有以下優勢：能夠有效抑制短溝道效應，有更高的電流驅動能力和良好的亞閾值斜率，準平面結構且制備方法簡單，與CMOS工藝兼容性好，雙柵自對準并同時和源漏自對準，能夠有效提高MOS管的性能，在過去的十多年受到了廣泛的關注。

關鍵詞：FinFET;場效應晶體管;專利分析

中圖分類號：TN304.2+1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）26-0007-02

1 ?緒 ?論

1.1 ?FinFET簡介

我們知道早期的IC制造都是基于平面型晶體管結構。平面型晶體管技術發展至今成本日趨低廉，但隨著特征尺寸的縮小，亞閾值漏電流和漏極感應勢壘下降等短溝道效應對性能的嚴重影響使其很難再跟上摩爾定律的步伐。為延續傳統平面晶體管技術的壽命，同時克服特征尺寸縮小帶來的負面效應，一種新型的器件結構Fin-type Field Effect Transistor（FinFETs）越來越受到關注，intel的22nm工藝便采用了這種結構。

1.2 ?FinFET結構及優勢

傳統的MOSFET當柵極縮小到20納米以下的時候遇到很多問題，如當柵極長度越小，源漏極的距離越近，柵極下方的氧化物也越薄，電子有可能溜過去產生漏電;另外，原本電子是否能由源極留到漏極是由柵極電壓來控制的，但是柵極長度越小，則柵極與通道之間的接觸面積就越小，也就是說柵極對通道的影響力越小。在此基礎上，美國加州大學伯克利分校的胡正明教授發明了鰭式場效應晶體管（Fin-type Field Effect Transistor，FinFET），將原本的2D構造的MOSFET改為3D的FinFET，因為構造很想魚鰭，因此稱為“鰭式（Fin）”。原本的源極和漏極拉高編程立體板狀結構，讓源極和漏極之間的通道變成板狀，則柵極與通道之間的接觸面積變大了。這樣一來，即使柵極長度縮小到20 nm以下，仍然保留很大的接觸面積，可以控制電子是否能由源極流到漏極，因此可以更妥善的控制電流，同時降低漏電和動態功率損耗。

1.3 ?FinFET發展方向

隨著近些年來對FinFET的白熱化研究，FinFET已經發展成為一個大的家族。從是否二氧化硅埋氧層以及其特點出發，可以分為Silicon-on-Insulator（SOI） FinFET，Bulk-FinFET以及Body-on-Insulator（BOI） FinFET等;從Gate的數量和形狀出發，則可分為雙柵，三柵，Ω柵以及環柵FinFET等。

SOI-FinFET能夠更好的抑制漏電流和短溝道效應，但由于其采用了導熱效果不太好的二氧化硅埋氧層，其相對于Bulk-FinFET來說，器件散熱緩慢，自加熱效應明顯。因此，對于某些高速芯片來說，采用此結構要慎重。

Bulk-FinFET結構繼承了SOI-FinFET和平面凹槽器件的結構優勢而設計的，其體硅襯底直接連接到Fin的溝道區域。Bulk-FinFET的優勢是有著更低的工藝成本，良好的散熱能力，并且能更好的與標準的平面CMOS技術兼容。但由于缺乏埋氧層，源漏區容易相互滲漏，亞閾值擺幅和短溝道效應較嚴重。

BOI-FinFET是為了盡量綜合SOI-FinFET和Bulk-FinFET二者的優勢而避免缺點而產生的。BOI-FinFET具有相似于Bulk-FinFET的結構，只是在溝道處填埋了一層二氧化硅。由于這個絕緣層比SOI要小得多，所以它的散熱性能要比SOI-FinFET好，同時，有了絕緣層后，它頁可以較好地控制漏電流。

同時，FinFET器件按照Gate的數量和形狀分，可分為雙柵，三柵，Ω柵以及環柵FinFET等。Tri-gate FinFET與雙柵，二者結構大同小異。三柵相對于雙柵來說，柵控能力更強，所以Fin不用太高。除了雙柵、三柵外，還存在Ω柵以及環柵FinFET。由于柵將溝道全部包圍住，得到了更好的柵控能力，可以進一步減小溝道的厚度。

2 ?專利趨勢分析

為了研究FinFET應用在互補MIS場效應晶體管領域專利技術的發展情況，筆者利用數據庫，通過IPC分類號、比較準確的關鍵詞、轉庫檢索等檢索策略相結合，獲得初步結果后通過概要瀏覽和詳細瀏覽將檢索文獻中明顯的噪音去除，從多方面對該領域的中國專利申請和全球專利申請進行了統計分析，統計的時間節點2016年3月3日。

2.1 ?中國專利分析

本節主要對中國專利申請狀況的趨勢以及專利重要申請人進行分析，通過統計S系統CNABS數據庫中的關于FinFET應用在互補MIS場效應晶體管領域的數據，共檢索到286件相關專利文獻，從中得到相關的FinFET應用在互補MIS場效應晶體管領域的技術發展趨勢，以及歷年專利申請的授權狀況。

FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用在中國重點分布在2004年后，1999年至2003年期間，專利申請量較小，2004年至2013年期間，專利申請量大幅增長，技術增長率呈上升趨勢，屬于技術發展期，中國市場逐步重視。

FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用主要分類集中在H01L27（在一共用基片內或其上形成的多個半導體或其他固體組件組成的器件）、H01L29（專門適用于整流、放大、振蕩或切換的半導體器件）以及H01L21（適用于制造或處理半導體或固體器件或其部件的方法或設備）這幾類，尤其是分類號H01L27/092（互補MIS場效應晶體管）、H01L 21/8238（互補場效應晶體管）和H01L29/78（具有由絕緣柵產生場效應的）。

2.2 ?全球專利分析

FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用在全球的申請量重點分布在2011年以后，在2002年至2010年期間，專利申請量較小且無明顯增長勢頭，此時說明FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用剛剛處于起步階段;在2011年至2014年期間，專利申請量大幅增長，技術增長率呈上升趨勢，屬于技術發展期;截至到統計的時間節點，2014年之后的專利申請由于公開時間滯后，導致數據不完整，尤其是2014-2015年的申請量下降趨勢非常明顯。

FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用的IPC分類號集中在H01L27（在一共用基片內或其上形成的多個半導體或其他固體組件組成的器件）、H01L29（專門適用于整流、放大、振蕩或切換的半導體器件）以及H01L21（適用于制造或處理半導體或固體器件或其部件的方法或設備）這幾類，尤其是分類號H01L29/78（具有由絕緣柵產生場效應的）、H01L27/092（互補MIS場效應晶體管）和H01L 21/8238（互補場效應晶體管）。

FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用的全球專利主要申請人排名，排名前5位的申請人為TSMC（臺灣積體電路制造公司）、IBM（國際商業機器公司）、GF（格羅方德半導體股份有限公司）、SAMSUNG（三星集團）、INTEL（英特爾公司），該五家公司均為目前半導體領域技術最發達的公司，且各公司之間技術實力比較接近，在全球范圍內都具備一定的競爭實力。

3 ?FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的專利 ? 發展分析

1999年加州大學伯克利分校的胡正明教授等人制作出一款45 nmPMOS FinFET結構，柵極氧化層為2.5 nm，飽和電流達到410 uA/um，這是一種性能優良，工藝相對簡單，并且和主流工藝最接近的雙柵器件結構;

2002年，Fu-Liang Yang等人第一次實現了高性能的35nm CMOS FinFET結構，該結構采用2.4 nm的柵極氧化層，在1V的電壓下工作時，NFET的驅動電流達到了1 240 uA/um，PFET的驅動電流達到了500 uA/um，截止電流均低至200nA/um，并且極好的抑制了熱載流子效應，器件的性能參數優良;

2006年，A.Kaneko等人實現了高性能的分開摻雜肖特基源漏CMOS FinFET結構，該結構柵長為15 nm，FIN寬度為

15 nm，在漏極電壓1.0V時，NFET的驅動電流達到了960 uA/um，截止電流為100 nA/um，由該器件結構制作的環形振蕩器的傳播延遲地址5ps;

2009年，第一次出現了使用三柵晶體管的22 nm SRAMs;2011年，Intel在其22 nm邏輯技術中引入三柵晶體管;2012年，SAMSUNG試產成功14 nm FinFET芯片;

2013年，Intel根據新型微架構推出全新系列CPU，無論時脈效能或低耗電均優于現有的Ivy Bridge設計;近幾年， ?由于節點逐漸移向14 nm、16 nm，包括TSMC、SAMSUNG、Intel與Global Foundry等晶圓制造業者正展開一場FinFET量產時程競賽，預計明后年競爭會更激烈。

4 ?結 ?語

通過上面的分析可以看出，FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中應用技術較為成熟，目前處于技術的高速發展階段，申請國家主要集中在美國、韓國、日本和中國臺灣，不僅申請的專利數量多，還掌握了大部分的核心技術，這種對技術的壟斷，在一定程度上對我國FinFET在互補MIS場效應晶體管領域中的應用的發展形成了巨大的壓力。

雖然在我國的專利申請也較多，但較多為高校申請，同時申請人較為分散，申請量較少，核心技術較少，在申請數量以及研究深度等方面均未達到一定規模;從目標國家的申請量方面的分析可以看出，中國在該領域的市場還是有發展潛力的，在今后的發展中，國內該領域的申請人也應多研究和借鑒前沿技術，加強專利布局，重視核心技術的外圍開發，以增強我國技術的競爭實力。

參考文獻：

[1] 金林，王菲菲.FinFET工藝對MOS器件輻射效應的影響[J].半導體技術，

2016，（6）.