互补MIS鳍式场效应晶体管（FinFET）的专利技术综述

张磊

摘  要：FinFET鳍式场效应晶体管，作为一种新型结构的互补式金属氧化物半导体晶体管，具有以下优势：能够有效抑制短沟道效应，有更高的电流驱动能力和良好的亚阈值斜率，准平面结构且制备方法简单，与CMOS工艺兼容性好，双栅自对准并同时和源漏自对准，能够有效提高MOS管的性能，在过去的十多年受到了广泛的关注。

关键词：FinFET;场效应晶体管;专利分析

中图分类号：TN304.2+1      文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）26-0007-02

1  绪  论

1.1  FinFET简介

我们知道早期的IC制造都是基于平面型晶体管结构。平面型晶体管技术发展至今成本日趋低廉，但随着特征尺寸的缩小，亚阈值漏电流和漏极感应势垒下降等短沟道效应对性能的严重影响使其很难再跟上摩尔定律的步伐。为延续传统平面晶体管技术的寿命，同时克服特征尺寸缩小带来的负面效应，一种新型的器件结构Fin-type Field Effect Transistor（FinFETs）越来越受到关注，intel的22nm工艺便采用了这种结构。

1.2  FinFET结构及优势

传统的MOSFET当栅极缩小到20纳米以下的时候遇到很多问题，如当栅极长度越小，源漏极的距离越近，栅极下方的氧化物也越薄，电子有可能溜过去产生漏电;另外，原本电子是否能由源极留到漏极是由栅极电压来控制的，但是栅极长度越小，则栅极与通道之间的接触面积就越小，也就是说栅极对通道的影响力越小。在此基础上，美国加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了鳍式场效应晶体管（Fin-type Field Effect Transistor，FinFET），将原本的2D构造的MOSFET改为3D的FinFET，因为构造很想鱼鳍，因此称为“鳍式（Fin）”。原本的源极和漏极拉高编程立体板状结构，让源极和漏极之间的通道变成板状，则栅极与通道之间的接触面积变大了。这样一来，即使栅极长度缩小到20 nm以下，仍然保留很大的接触面积，可以控制电子是否能由源极流到漏极，因此可以更妥善的控制电流，同时降低漏电和动态功率损耗。

1.3  FinFET发展方向

随着近些年来对FinFET的白热化研究，FinFET已经发展成为一个大的家族。从是否二氧化硅埋氧层以及其特点出发，可以分为Silicon-on-Insulator（SOI） FinFET，Bulk-FinFET以及Body-on-Insulator（BOI） FinFET等;从Gate的数量和形状出发，则可分为双栅，三栅，Ω栅以及环栅FinFET等。

SOI-FinFET能够更好的抑制漏电流和短沟道效应，但由于其采用了导热效果不太好的二氧化硅埋氧层，其相对于Bulk-FinFET来说，器件散热缓慢，自加热效应明显。因此，对于某些高速芯片来说，采用此结构要慎重。

Bulk-FinFET结构继承了SOI-FinFET和平面凹槽器件的结构优势而设计的，其体硅衬底直接连接到Fin的沟道区域。Bulk-FinFET的优势是有着更低的工艺成本，良好的散热能力，并且能更好的与标准的平面CMOS技术兼容。但由于缺乏埋氧层，源漏区容易相互渗漏，亚阈值摆幅和短沟道效应较严重。

BOI-FinFET是为了尽量综合SOI-FinFET和Bulk-FinFET二者的优势而避免缺点而产生的。BOI-FinFET具有相似于Bulk-FinFET的结构，只是在沟道处填埋了一层二氧化硅。由于这个绝缘层比SOI要小得多，所以它的散热性能要比SOI-FinFET好，同时，有了绝缘层后，它页可以较好地控制漏电流。

同时，FinFET器件按照Gate的数量和形状分，可分为双栅，三栅，Ω栅以及环栅FinFET等。Tri-gate FinFET与双栅，二者结构大同小异。三栅相对于双栅来说，栅控能力更强，所以Fin不用太高。除了双栅、三栅外，还存在Ω栅以及环栅FinFET。由于栅将沟道全部包围住，得到了更好的栅控能力，可以进一步减小沟道的厚度。

2  专利趋势分析

为了研究FinFET应用在互补MIS场效应晶体管领域专利技术的发展情况，笔者利用数据库，通过IPC分类号、比较准确的关键词、转库检索等检索策略相结合，获得初步结果后通过概要浏览和详细浏览将检索文献中明显的噪音去除，从多方面对该领域的中国专利申请和全球专利申请进行了统计分析，统计的时间节点2016年3月3日。

2.1  中国专利分析

本节主要对中国专利申请状况的趋势以及专利重要申请人进行分析，通过统计S系统CNABS数据库中的关于FinFET应用在互补MIS场效应晶体管领域的数据，共检索到286件相关专利文献，从中得到相关的FinFET应用在互补MIS场效应晶体管领域的技术发展趋势，以及历年专利申请的授权状况。

FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用在中国重点分布在2004年后，1999年至2003年期间，专利申请量较小，2004年至2013年期间，专利申请量大幅增长，技术增长率呈上升趋势，属于技术发展期，中国市场逐步重视。

FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用主要分类集中在H01L27（在一共用基片内或其上形成的多个半导体或其他固体组件组成的器件）、H01L29（专门适用于整流、放大、振荡或切换的半导体器件）以及H01L21（适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备）这几类，尤其是分类号H01L27/092（互补MIS场效应晶体管）、H01L 21/8238（互补场效应晶体管）和H01L29/78（具有由绝缘栅产生场效应的）。

2.2  全球专利分析

FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用在全球的申请量重点分布在2011年以后，在2002年至2010年期间，专利申请量较小且无明显增长势头，此时说明FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用刚刚处于起步阶段;在2011年至2014年期间，专利申请量大幅增长，技术增长率呈上升趋势，属于技术发展期;截至到统计的时间节点，2014年之后的专利申请由于公开时间滞后，导致数据不完整，尤其是2014-2015年的申请量下降趋势非常明显。

FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用的IPC分类号集中在H01L27（在一共用基片内或其上形成的多个半导体或其他固体组件组成的器件）、H01L29（专门适用于整流、放大、振荡或切换的半导体器件）以及H01L21（适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备）这几类，尤其是分类号H01L29/78（具有由绝缘栅产生场效应的）、H01L27/092（互补MIS场效应晶体管）和H01L 21/8238（互补场效应晶体管）。

FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用的全球专利主要申请人排名，排名前5位的申请人为TSMC（台湾积体电路制造公司）、IBM（国际商业机器公司）、GF（格罗方德半导体股份有限公司）、SAMSUNG（三星集团）、INTEL（英特尔公司），该五家公司均为目前半导体领域技术最发达的公司，且各公司之间技术实力比较接近，在全球范围内都具备一定的竞争实力。

3  FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的专利   发展分析

1999年加州大学伯克利分校的胡正明教授等人制作出一款45 nmPMOS FinFET结构，栅极氧化层为2.5 nm，饱和电流达到410 uA/um，这是一种性能优良，工艺相对简单，并且和主流工艺最接近的双栅器件结构;

2002年，Fu-Liang Yang等人第一次实现了高性能的35nm CMOS FinFET结构，该结构采用2.4 nm的栅极氧化层，在1V的电压下工作时，NFET的驱动电流达到了1 240 uA/um，PFET的驱动电流达到了500 uA/um，截止电流均低至200nA/um，并且极好的抑制了热载流子效应，器件的性能参数优良;

2006年，A.Kaneko等人实现了高性能的分开掺杂肖特基源漏CMOS FinFET结构，该结构栅长为15 nm，FIN宽度为

15 nm，在漏极电压1.0V时，NFET的驱动电流达到了960 uA/um，截止电流为100 nA/um，由该器件结构制作的环形振荡器的传播延迟地址5ps;

2009年，第一次出现了使用三栅晶体管的22 nm SRAMs;2011年，Intel在其22 nm逻辑技术中引入三栅晶体管;2012年，SAMSUNG试产成功14 nm FinFET芯片;

2013年，Intel根据新型微架构推出全新系列CPU，无论时脉效能或低耗电均优于现有的Ivy Bridge设计;近几年，  由于节点逐渐移向14 nm、16 nm，包括TSMC、SAMSUNG、Intel与Global Foundry等晶圆制造业者正展开一场FinFET量产时程竞赛，预计明后年竞争会更激烈。

4  结  语

通过上面的分析可以看出，FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中应用技术较为成熟，目前处于技术的高速发展阶段，申请国家主要集中在美国、韩国、日本和中国台湾，不仅申请的专利数量多，还掌握了大部分的核心技术，这种对技术的垄断，在一定程度上对我国FinFET在互补MIS场效应晶体管领域中的应用的发展形成了巨大的压力。

虽然在我国的专利申请也较多，但较多为高校申请，同时申请人较为分散，申请量较少，核心技术较少，在申请数量以及研究深度等方面均未达到一定规模;从目标国家的申请量方面的分析可以看出，中国在该领域的市场还是有发展潜力的，在今后的发展中，国内该领域的申请人也应多研究和借鉴前沿技术，加强专利布局，重视核心技术的外围开发，以增强我国技术的竞争实力。

参考文献：

[1] 金林，王菲菲.FinFET工艺对MOS器件辐射效应的影响[J].半导体技术，

2016，（6）.