鳍式场效应晶体管的有利特性及目前的研究方向

缪晔辰

（西北工业大学，陕西 西安710000）

0 引言

进入后摩尔时代，集成电路尺寸达到纳米尺度，传统MOS器件逐渐达到其技术极限，无法忽略短沟道效应。最初，为了抑制短沟道效应，一般通过调整沟道掺杂浓度或改变栅极的构成物质等措施来改变阈值电压；或者采用高K（介电常数）材料用作栅氧化层介质材料，以获得更小的栅极漏电流。虽然短沟道效应在实施这些措施后得到了减缓，但随着器件尺寸进一步缩小，栅控能力没有获得有效提升。于是，为了突破这些困难，鳍式场效应晶体管应运而生。

1 鳍式场效应晶体管的概念

鳍式场效应晶体管，全名“Fin Field-Effect Transistor”，是由胡正明教授提出的一种后摩尔时代的新型CMOS晶体管。

与平面型MOSFET结构相比，FinFET在原本基础的绝缘衬底上额外增加了一块突起，称作鳍，将原本的二维器件向三维扩展。这种设计从面积上着手加强了栅的控制能力，缩减了晶体管的栅长并减少漏电流，从而在结构上解决了平面器件无法避免的短沟道效应。

目前在各地的研究者努力下，主要根据衬底不同FinFET形成了不同种类。一种是形成于体硅衬底上的鳍式场效应晶体管，体FinFET。另一种形成于SOI衬底上，具有低节电容、高迁移率的特征。但是相比于体FinFET，SOIFET具有较高缺陷密度、成本偏高等缺点。

2 与传统MOSFET相比的优势

相比传统MOSFET，FinFET在很多方面具有明显优势。在MOSFET中，门极长度代表了半导体制程的水平。但是自从长度小于20 nm之后，源漏极距离太小，会发生漏电现象；同时导电能力是由门极电压控制的，长度越小，控制力越小。而恰恰是FINFET的出现解决了这一个问题，使长度减小时面积没有因此受到影响。FINFET的鳍形结构可以增加控制面积，从而抑制短沟效应。回避短沟道效应后，使其可以应用厚的栅氧化物，进一步减小栅漏电流。此外，沟道一般采用轻掺杂，从而解决掺杂原子散射的问题，并得到高载流子迁移率。此外，FinFET工艺未发生巨大改变，技术上易于实现。

3 FINFET目前的部分研究进程

作为后摩尔时代的一种新型器件，FinFET具有广泛的发展空间和可研究性，各地的研究者从各种不同的出发点对此进行了研究。

Lee的团队在2016年成功制备了AlGaN/GaN纳米线Ω形栅FinFET，与传统的AlGaN/GaN栅FinFET相比，其性能有了很大的提高：显著的导通特性，导通电阻低，最大漏电流为1.1 A/mm；优异的关断性能，关断漏电流低，理论SS值为-62 mV/dec，ION/IOFF比值高。此外，这种结构下，有源鳍片体的完全耗尽以及鳍片与底层GaN缓冲层的完美分离，改善了直流特性。与传统器件相比，使该器件性能提高的另一个原因是栅极可控性的提高。这种器件是陡变开关器件应用的一个很有前途的发展方向。

Toshiyuki Tsutsumi在2018年结合三维工艺模拟和器件模拟，分析了绝缘体上硅三栅FinFET源漏扩展区离子注入引起的阈值电压（Vth）波动。Vth涨落主要与砷离子注入引起的瓶颈势垒高度（BBH）以及渗流传导有关。此外，通过研究还发现Vth涨落主要可以由器件的Si鳍的顶面中心线的BBH判断。这一结果对今后此类器件的研究和开发具有一定的参考价值。

同年，Liu的团队通过Slater部分与密度泛函理论(DFT)相结合的改进方法，对亚10 nm超大规模Si1-xGex FinFET和栅全环晶体管（GAAFET）进行了分析，实现了类混合泛函的高精度和类GGA的高效率，对Si1-xGex FinFET和GAAFET中尺寸和成分相关的量子限制和能带结构效应进行了批量模拟。发现超尺度FinFET和GAAFET中的量子限域显著提高了沟道的带隙，具有更大的限制诱导带隙增大、更低的直接源漏量子隧穿、更低的离态传输和低偏压电导、更小的漏诱导势垒降低。而调整沟道中的Ge组分，可以显著提高带隙和阈值电压，显著降低传输系数、低偏压电导和源漏电流。

2019年，Kim的团队研究了一种具有SiGe沟道、鳍片结构和高架漏极的新型隧道场效应晶体管（TFET）。该团队观测了高电平的通态电流ION和低电平的关态电流IOFF、双极性电流IAMB。具体而言，其ION比Si对照组增强了24倍，比SiGe对照组增强了6倍。与SiGe控制组相比，IAMB可减少900倍。

2020年，Lee提出了一种I型SiGe TFET，并通过计算机辅助设计（TCAD）仿真验证了其有效性。与相同封装面积的传统FINTFET相比，提高了有效沟道宽度和导通电流，减小了阈下摆幅减小，降低了关断电流。这些性能的提高归因于有效沟道宽度的增加和I形鳍片结构的栅极可控性的增强。此外，还研究了采用SiGe湿法刻蚀技术制备I形SiGe鳍片的工艺，优化锗冷凝工艺，可获得锗比大于50%的I形SiGe鳍片。这是在原有的工艺基础上对制造工艺的一种新的探索。

4 结语

进入后摩尔时代，总体趋势上看，以Si为主的MOS技术正在逐渐走向极限；集成电路按比例缩小的规律会受到限制，但是仍将继续延续。FinFET正是诞生于此，与平面型MOSFET结构相比，FinFET在结构上解决了平面器件无法避免的的短沟道效应。目前，世界各地的FinFET研究并没有完全的成熟，尚面临一些问题，因此FinFET开始向各个分支发展，从而满足不断缩小的尺寸以及各种不同的需求。这种发展是一个复杂缓慢的过程，FinFET会面临应用等方面的种种问题。而在本文中提到的这些新的研究方向，将成为未来器件发展的基础。