什么是FinFET？一文带你全方位认识FinFET

大家好，这里是【射频学堂】。今天我们一起来学习一下：什么是FinFET？它到底有多牛？它为什么这么牛？

什么是FinFET？

提到FET，学电子的人都比较熟悉，FET就是Field-Effect Transistor，场效应管。FET是一种常见的三端口半导体器件，比较常见的是JFET（结型场效应晶体管）和金属氧化物场效应管MOSFET。下图给出了常见的场效应管的工作示意图，

那么FinFET到底是什么呢？

FinFET被称为鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金属氧化物半导体晶体管。该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授。

FinFeT与平面型MOSFET结构的主要区别在于其沟道由绝缘衬底上凸起的高而薄的鳍构成，源漏两极分别在其两端，三栅极紧贴其侧壁和顶部，用于辅助电流控制，这种鳍形结构增大了栅围绕沟道的面，加强了栅对沟道的控制，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，大幅改善电路控制并减少漏电流，也可以大幅缩短晶体管的栅长，也正由于该特性，FinFET无须高掺杂沟道，因此能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迁移率。

FinFET的主要特点是，沟道区域是一个被栅极包裹的鳍状半导体。沿源漏方向的鳍的长度，为沟道长度。栅极包裹的结构增强了栅的控制能力， 对沟道提供了更好的电学控制，从而降低了漏电流，抑制短沟道效应。 然而FinFET有很多种，不同的FinFET有不同的电学特性。

下面根据衬底类型、沟道的方向、栅的数量、栅的结构，分别给予介绍。SOI FinFET 和体FinFET。根据FinFET衬底，FinFET可以分成两种。一种是SOI FinFET，一种是体FinFET。FinFET形成在体硅衬底上。由于制作的工艺不同，相比于SOI衬底，体硅衬底具有低缺陷密度，低成本的优点。此外，由于SOI衬底中埋氧层的热传导率较低，体硅衬底的散热性能也要优于SOI衬底。

Buk FinFET，SOI FinFET具有近似的寄生电阻、寄生电容，从而在电路水平上可以提供相似的功率性能。但是 SOI 衬底的轻鳍掺杂FinFET，相比于Buk FinFET，表现出较低的节电容，更高的迁移率和电压增益的电学性能。

FinFET到底有多牛？

对于场效应管，我们最常用的是MOSFET，全称是金属氧化物半导体场效应管：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor。

MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次实作成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（William Shockley）等人发明的双载流子结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型集成电路（Large-Scale Integrated Circuits,LSI）或是超大型集成电路（Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。

但是MOSFET发明至今已有六十多年历史，随着半导体制程工艺的进步，MOSFET的限制越来越明显。我们知道，在 MOSFET 中，栅极长度（Gate length）大约 10 奈米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此我们常常以栅极长度来代表半导体工艺的进步程度，这就是所谓的工艺线宽。

栅极长度会随工艺技术的进步而变小，从早期的 0.18 微米、0.13 微米，进步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米，到目前最新工艺 10 奈米。当栅极长度愈小，则整个 MOSFET 就愈小，而同样含有数十亿个 MOSFET 的芯片就愈小，封装以后的集成电路就愈小，最后做出来的手机就愈小啰！。

10 奈米到底有多小呢？细菌大约 1 微米，病毒大约 100 奈米，换句话说，人类现在的工艺技术可以制作出只有病毒 1/10（10 奈米）的结构，厉害吧！但是当栅极长度缩小到 20 奈米以下的时候，遇到了许多问题，其中最麻烦的是当闸极长度愈小，源极和漏极的距离就愈近，栅极下方的氧化物也愈薄，电子有可能偷偷溜过去产生漏电（Leakage）；

另外一个更麻烦的问题，原本电子是否能由源极流到漏极是由闸极电压来控制的，但是栅极长度愈小，则栅极与通道之间的接触面积（图一红色虚线区域）愈小，也就是闸极对通道的影响力愈小，要如何才能保持闸极对通道的影响力（接触面积）呢？因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、 Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了鳍式场效晶体管（Fin Field Effect Transistor，FinFET），把原本 2D 构造的 MOSFET 改为 3D 的 FinFET，如图二所示，因为构造很像鱼鳍 ，因此称为鳍式（Fin）。

由图中可以看出原本的源极和漏极拉高变成立体板状结构，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（图二黄色的氧化物与下方接触的区域明显比图一红色虚线区域还大），这样一来即使栅极长度缩小到 20 奈米以下，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汲极，因此可以更妥善的控制电流，同时降低漏电和动态功率耗损，所谓动态功率耗损就是这个 FinFET 由状态 0 变 1 或由 1 变 0 时所消耗的电能，降低漏电和动态功率耗损就是可以更省电的意思啰！

FinFET是栅极长度缩小到 20 奈米以下的关键，拥有这个技术的工艺与专利，才能确保未来在半导体市场上的竞争力。当然场效应管也不是一成不变的，FinFET也不会是最终的选项，其演进一直在进行中。

在过去的 17 年中，CMOS 技术在制造和建筑中使用的材料方面取得了重大进展。第一个巨大飞跃是在 90 nm 技术节点引入应变工程。随后的步骤是具有 45 nm 高 k 电介质的金属栅极，以及 22 nm 节点的 FinFET 架构。2012 年标志着第一个商用 22nm FinFET 的诞生。FinFET 架构的后续改进提高了性能并减少了面积。FinFET 的 3D 特性具有许多优势，例如增加鳍片高度以在相同的占位面积下获得更高的驱动电流。

图 2 显示了 MOSFET 结构的演变：双栅、三栅、pi 栅、omega 栅和环栅。由于结构简单且易于制造，双栅极和三栅极 FinFET 很常见。尽管 GAA 器件是在 FinFET 之前提出的，但后者更适合执行生产。

未来，到底属于那种技术，让我们拭目以待，并努力向前。

参考文献

半导体最新技术-FinFET工艺简介： https://www.rs-online.com

FinFET Design, Manufacturability, and Reliability    https://www.synopsys.com/

https://www.utmel.com/blog/categories/transistors/introduction-to-finfet

https://baike.baidu.com/item/MOSFET?sefr=cr

https://baike.baidu.com/item/%E9%B3%8D%E5%BC%8F%E5%9C%BA%E6%95%88%E5%BA%94%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1/23200647