FinFET - 图文

体管的同类-Finfet技术的开发工作。与之形成鲜明对比的是，包括ARM,以及有浓厚AMD背景的Globalfoundries在内的欧洲半导体技术组织，则在大力推广全耗尽型SOI，即FDSOI技术。另外，最近一家名不见经传的新兴公司Suvolta则联合富士通公司推出了第三种晶体管技术方案。当然，最后我们也不能忘记台积电已经表态会在20nm节点继续使用常规的平面型晶体管技术。

虽然说有关的话题对器件设计者而言很有吸引力，而对芯片设计者来说则表面上看似乎并不与其本职工作有什么必要的联系。但大家不要忘记，晶体管的设计技术会对许多下游因素，包括从功能单元的设计到物理层设计，乃至到逻辑层设计过程造成影响，并最终影响到芯片的功耗和时序，而这些因素则是芯片设计者们必须关注的重要项目。 为什么要对晶体管结构技术进行变革？

制程工程师们为什么要变革现有的晶体管结构技术呢？简单来说，原因在于所谓的短沟道效应（SCE:short-channeleffects）.为了跟上摩尔定律的脚步，人们不得不不断缩短MOSFET场效应管沟道的长度。这样做有可以增加芯片的管芯密度，增加MOSFET的开关速度等等好处。然而，沟道长度的缩短却会带来许多其它的负面效应。总得来看，造成这些负面效应的原因多数可以总结成这样一句话：随着器件沟道长度的缩短，漏极与源极的距离也随之缩短，这样一来栅极对沟道的控制能力变差，栅极电压夹断(pinchoff)沟道的难度也越来越大（如图1），如此便使亚阀值漏电（Subthrehholdleakage）现象更容易发生。

其实，人们早在90nm节点便已经开始向短沟道效应宣战。而后来大行其道的HKMG技术推出的目的之一也正是为了在增强栅极对沟道电流的控制能力的前提下，尽量地减小栅极的漏电流。不过到22nm节点，短沟道效应愈发严重，仅仅依靠HKMG和过去的技术，而不对传统平面型晶体管的结构作出变动，已经无法满足要求，无法在保证器件性能达标的同时，对器件的漏电进行足够的限制。用一位专家的话说：“HKMG解决了栅极漏电的问题，现在我们需要处理的则是沟道漏电的问题。” 继续走平面型晶体管的老路吗？

不过并不是所有的人都认为传统的平面型晶体管已经走到了穷途末路。台积电便是其中的一员，今年2月份，他们曾经表示将在20nm制程节点继续使用平面型晶体管结构，而Globalfoundries则也有类似的计划。关于这种立场的对错，业内的争论颇多。设计者们对短沟道效应及其危害是非常熟悉的。在

20nm节点，短沟道效应造成的漏电和门限电压变差现象也许会比28nm节点更加严重，不过设计者们也有对付这种问题的办法，比如在设计时采取严格的电源管理技术，使用容差电路，统计时序分析法等等。而当所有这些问题出现时，作为芯片代工方的台积电或Globalfoundries必然会要求他们的客户，如FPGA厂商，网络芯片厂商，ARM等向其芯片中加入这些弥补性的电路设计。

对此持怀疑论的芯片厂商并不在少数。比如Novellus公司的副总裁GirishDixit就表示：“台积电宣称他们会在20nm节点制程使用替换型金属栅技术（即常说的GatelastHKMG）+传统平面型晶体管的技术组合，不过这种计划恐怕会发生一些变故。虽然HKMG技术具备控制漏电的能力，但是由于仍然采用传统的平面型晶体管技术，因此其Ion/Ioff性能难免相对低下。”如果台积电的客户发现这些采用传统平面型晶体管技术制作的芯片在效能方面处于不利的地位，那么他们完全有可能逼迫台积电提前在20nm节点启用Finfet技术。在移动设备用芯片市场，这种情况是最有可能发生的，因为以ARM为首的芯片设计合作伙伴们需要面对的是采用三栅技术的22nm制程Intel的同类型Atom产品。 Finfet的崛起：

十多年前，技术人员便已经开始研究与Finfet以及其它与下一代晶体管结构技术有关的技术，不过今年5月份，Intel将这项技术从阳春白雪的研究室搬到了面向市场和公众的大舞台上。虽然他们让三栅技术走向前台的动机未必纯洁--从很大程度上看是为了在移动设备芯片市场向ARM阵营施压，而不是为了改善电路设计，减小半导体器件信噪比，推动半导体技术向前发展等冠冕堂皇的目的。

从本质上说，Intel口中所谓前无古人的三栅技术，在业内专家的眼里看来其实就是一种彻头彻尾的Finfet技术，其与人们已经研究了十多年的Finfet并

没有本质的区别。一位专家表示：“其实业内所有的厂商都在开发Finfet技术，两者唯一的区别就是Intel的那一套鼓动人心的说辞。”

总的来看，其实包括Finfet在内的所有下一代晶体管结构技术，其革新的思路都是基于全耗尽型沟道的理念。简单地说，全耗尽沟道技术令栅极对沟道处形成电场的控制能力大为增强，在栅极的控制下，当器件需要处于关闭状态下时，沟道中所有的载流子均会被耗尽，这样沟道将不再具备任何导电能力，也就意味着晶体管漏源极导电通路的彻底关闭。

那么全耗尽沟道技术又是如何做到这一点的呢？在传统的部分耗尽型平面晶体管中，由于漏源极与硅衬底形成反偏的PN结结构，因此其周围有耗尽层结构存在，加上沟道的深度有限，这样沟道处的电场就会受到这些因素的干扰而偏离理想的状态。要解决这个问题，可以采用令沟道区域的硅膜厚度极薄，薄到与沟道的深度相同，并且拉大沟道与漏极反偏结的距离的方法，来构造全耗尽型的沟道区。 新一代晶体管技术：Finfet

Finfet的解决方法是另沟道从硅衬底表面竖起，形成垂直型的沟道结构（又被人们形象地称为Fin-鳍片），然后再在鳍片表面构造栅极。Finfet的鳍片厚度极薄（如图2），且其凸出的三个面均为受控面，受到栅极的控制。这样，栅极就可以较为容易的在沟道区构造出全耗尽结构，彻底切断沟道的导电通路。