FinFET工艺论文

微电子前沿（4）姓名：学号：签名：微电子前沿------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MOSFET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(FinField-EffectTransistor；FinFET)是一种新的互补式金氧半导体(CMOS)晶体管。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—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,BulkFinFET,Body-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，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FINBody与硅衬底（SiSubstrate）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（STI），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。此外，可以看出FINFET结构为准平面结构，制备方法简单,与CMOS工艺兼容性好，与平面器件相比，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FINFET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。图3平面器件与三栅FINFET器件的亚阈值特性曲线比较图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，从中可以看出与32nm平面器件相比，22nm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。综上所述，可以清楚地看出：与平面器件相比，FINFET结构具有更好的沟道控制能力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。3FINFET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)、HFIN(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、FIN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FINbody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Finbody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（SCE）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DIBL。图5漏致势垒降低与亚阈值斜率随FIN角度变化曲线（2）FIN高度对器件性能的影响下图6中给出了栅长为50nm的SOIFINFET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，SOIFINFET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200nm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。图6亚阈值斜率、阈值电压随硅FIN高度变化曲线图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FINFET器件时,FIN的高度不能太小,要保持足够的高度来抑止短沟道效应。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（TripleGate）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。图8Davinci模拟中SCE限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随锗硅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。图10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。此外，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。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