鰭式場效應晶體管的有利特性及目前的研究方向

繆曄辰

（西北工業大學，陜西 西安710000）

0 引言

進入后摩爾時代，集成電路尺寸達到納米尺度，傳統MOS器件逐漸達到其技術極限，無法忽略短溝道效應。最初，為了抑制短溝道效應，一般通過調整溝道摻雜濃度或改變柵極的構成物質等措施來改變閾值電壓；或者采用高K（介電常數）材料用作柵氧化層介質材料，以獲得更小的柵極漏電流。雖然短溝道效應在實施這些措施后得到了減緩，但隨著器件尺寸進一步縮小，柵控能力沒有獲得有效提升。于是，為了突破這些困難，鰭式場效應晶體管應運而生。

1 鰭式場效應晶體管的概念

鰭式場效應晶體管，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結構相比，FinFET在原本基礎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展。這種設計從面積上著手加強了柵的控制能力，縮減了晶體管的柵長并減少漏電流，從而在結構上解決了平面器件無法避免的短溝道效應。

目前在各地的研究者努力下，主要根據襯底不同FinFET形成了不同種類。一種是形成于體硅襯底上的鰭式場效應晶體管，體FinFET。另一種形成于SOI襯底上，具有低節電容、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。

2 與傳統MOSFET相比的優勢

相比傳統MOSFET，FinFET在很多方面具有明顯優勢。在MOSFET中，門極長度代表了半導體制程的水平。但是自從長度小于20 nm之后，源漏極距離太小，會發生漏電現象；同時導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的鰭形結構可以增加控制面積，從而抑制短溝效應?；乇芏虦系佬?，使其可以應用厚的柵氧化物，進一步減小柵漏電流。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，FinFET工藝未發生巨大改變，技術上易于實現。

3 FINFET目前的部分研究進程

作為后摩爾時代的一種新型器件，FinFET具有廣泛的發展空間和可研究性，各地的研究者從各種不同的出發點對此進行了研究。

Lee的團隊在2016年成功制備了AlGaN/GaN納米線Ω形柵FinFET，與傳統的AlGaN/GaN柵FinFET相比，其性能有了很大的提高：顯著的導通特性，導通電阻低，最大漏電流為1.1 A/mm；優異的關斷性能，關斷漏電流低，理論SS值為-62 mV/dec，ION/IOFF比值高。此外，這種結構下，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器件應用的一個很有前途的發展方向。

Toshiyuki Tsutsumi在2018年結合三維工藝模擬和器件模擬，分析了絕緣體上硅三柵FinFET源漏擴展區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）以及滲流傳導有關。此外，通過研究還發現Vth漲落主要可以由器件的Si鰭的頂面中心線的BBH判斷。這一結果對今后此類器件的研究和開發具有一定的參考價值。

同年，Liu的團隊通過Slater部分與密度泛函理論(DFT)相結合的改進方法，對亞10 nm超大規模Si1-xGex FinFET和柵全環晶體管（GAAFET）進行了分析，實現了類混合泛函的高精度和類GGA的高效率，對Si1-xGex FinFET和GAAFET中尺寸和成分相關的量子限制和能帶結構效應進行了批量模擬。發現超尺度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帶隙增大、更低的直接源漏量子隧穿、更低的離態傳輸和低偏壓電導、更小的漏誘導勢壘降低。而調整溝道中的Ge組分，可以顯著提高帶隙和閾值電壓，顯著降低傳輸系數、低偏壓電導和源漏電流。

2019年，Kim的團隊研究了一種具有SiGe溝道、鰭片結構和高架漏極的新型隧道場效應晶體管（TFET）。該團隊觀測了高電平的通態電流ION和低電平的關態電流IOFF、雙極性電流IAMB。具體而言，其ION比Si對照組增強了24倍，比SiGe對照組增強了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，并通過計算機輔助設計（TCAD）仿真驗證了其有效性。與相同封裝面積的傳統FINTFET相比，提高了有效溝道寬度和導通電流，減小了閾下擺幅減小，降低了關斷電流。這些性能的提高歸因于有效溝道寬度的增加和I形鰭片結構的柵極可控性的增強。此外，還研究了采用SiGe濕法刻蝕技術制備I形SiGe鰭片的工藝，優化鍺冷凝工藝，可獲得鍺比大于50%的I形SiGe鰭片。這是在原有的工藝基礎上對制造工藝的一種新的探索。

4 結語

進入后摩爾時代，總體趨勢上看，以Si為主的MOS技術正在逐漸走向極限；集成電路按比例縮小的規律會受到限制，但是仍將繼續延續。FinFET正是誕生于此，與平面型MOSFET結構相比，FinFET在結構上解決了平面器件無法避免的的短溝道效應。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開始向各個分支發展，從而滿足不斷縮小的尺寸以及各種不同的需求。這種發展是一個復雜緩慢的過程，FinFET會面臨應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，將成為未來器件發展的基礎。