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从平面晶体管到FinFET的演变

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发布时间:2024-11-29 10:39:30

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来源于laoyaoba

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集成电路技术节点的缩放在90纳米制程之前一直提升器件性能和密度。然而,65纳米节点之后,由于栅氧化层厚度无法继续减薄(隧道效应导致的漏电流成为瓶颈),缩放只增加了密度,性能提升停滞。

平面晶体管的局限性:

MOSFET的驱动电流Id与沟道材料载流子迁移率μ、栅极介质介电常数K、栅氧化层厚度Tox、沟道宽度W和沟道长度L相关:Id∝μ(K/Tox)(W/L)。单纯缩小平面MOSFET的尺寸(W和L等比例减小),除非同时减小Tox,否则驱动电流无法提升。而减小Tox又受限于漏电和击穿。

高k/金属栅极(HKMG)技术的应用:

为了突破Tox的限制,高k材料(如HfSiOxNy,K值约20,远高于SiO2的3.9)替代SiO2,显著增大K值,从而实现更薄的等效氧化层厚度(EOT),提高驱动电流。HKMG技术在45纳米以下制程中应用,有效提升了性能,但最终仍受限于平面MOSFET结构本身。

FinFET结构的优势:

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与平面MOSFET的平面沟道不同,FinFET采用鳍状三维沟道结构,栅极从三个方向包围沟道。这带来了以下优势:

  • 更大的沟道宽度:在相同硅面积下实现更大的沟道宽度,提升性能。增加鳍的高度可进一步扩大沟道宽度。
  • 减少短沟道效应:三维结构更好地控制沟道,降低短沟道效应,提升可靠性和性能。
  • 更高的驱动电流:三面栅极结构更有效控制沟道,降低漏电,提高Id。

FinFET制造的挑战:

FinFET的制造也面临挑战:

  • 蚀刻和清洗:高纵横比的鳍容易在蚀刻和清洗过程中坍塌。
  • STI填充:鳍间STI的无缺陷填充也十分困难。

总而言之,为了克服平面MOSFET的性能瓶颈,高k/金属栅极技术和FinFET结构先后被采用,但FinFET的制造工艺也带来了新的挑战。

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