FinFET工艺论

1、微电子前沿（4）姓名：学号：签名：微电子前沿一一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

2、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mosfe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；

3、 finfet展一种新的互补式金氧 半导体（cmos谒体管。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一场效晶体管（field-effecttransistor； 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

4、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,bo dy-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，

5、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 s ubstrate）直接相连，形成体硅finfet结构； 氧化层 （oxide）形成栅介质（gateoxide）和器件隔离区（std ，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

6、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。止匕外，可与平面以看出finfet结构为准平面结构，制备方法简单,与cmos工艺兼容性好,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finfe

7、t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。000.00011e-050 00.2。/0.60.81.0(p融h一 qkjou1,1从中可以看出与32nm平面gate voltage (v)图3平面器件与三栅 finfet器件的亚阈值特性曲线比较0 6 0-5 0.6 oj gf 591.0operating volt&ge(v)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,器件相比，2

8、2nm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。(a) finfet结构示意图finfet结构具有更好的沟道控制能力gatesfinscb

9、 finfet电子显微镜图片 综上所述，可以清楚地看出：与平面器件相比,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）、h fin（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、fi

10、n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

11、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（sca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dibl9020 一 20ss (m)9000-80图5漏致势垒降低与亚阈值斜率随fin角度变化曲线%=70 nm wfm=20nm 作。加&忸，808082848688907092angle (9) (deg)(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 finf

12、et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200 nm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。23 o-6 4 lx o2 2 12i .”|f1b1 ftf?1- 旧 -f | f二 oo20 40 60 0 uw 12014(1 160ibq 纲 22。儿(iim)5川口仙5nm-s(s01 fmfeti1%口尸,

13、 皿-tbulkfmfetfsom 网-s(bulk finet)-(9营三二*二5 po8-i1qss 72川 瞬66m62图6亚阈值斜率、阈值电压随硅 fin身度变化曲线图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 保持足够的高度来抑止短沟道效应。finfet器件时,fin的高度不能太小，要l m=2nni -5(lnniie-7 uieuie-51le-

14、h 1*-w=klinm* h 兄加m t /iei7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tsi1/4lg。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

15、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

16、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。gate length (nm)ewp居而二巴0sb豆。一巨图8 davinci模拟中sce艮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随楮硅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l h=

17、0 | /二mn用/, = i illium/ = 5huna 0-15uni 0 5niu -wm巾出尸a = | el 7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

18、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。3 ,2-p-c-i二一o.lt0(xp -tmodqjs pox5o2b-1s图1013 二 1 t v p t . p20406080100r.(ini)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

19、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。止匕外，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。

20、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=1x 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。ucd doping = 1e1 6cmt limit is defined by the 7、

21、roll-off0.05v0 -。20 406080 100 120 140 160gate length (nm)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cmo$目比,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

22、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1 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cmosi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 f

23、infet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

24、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

25、，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24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(yiel d)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

26、也将其14纳米fpgafe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。止匕外，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

27、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板本价，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 912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23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