進(jìn)入全新一代的晶體管以前，回顧一下前幾代晶體管的發(fā)展

1958年，德州儀器（TI）使用兩個(gè)晶體管制造了第一臺(tái)集成電路觸發(fā)器。今天的芯片包含超過(guò)百億個(gè)晶體管。曾經(jīng)可以支持整個(gè)公司會(huì)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)存現(xiàn)在變成了一個(gè)人們隨身攜帶的智能手機(jī)。這種增長(zhǎng)規(guī)模是由于晶體管的規(guī)模不斷擴(kuò)大以及硅制造工藝的其他改進(jìn)所致。在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，除了工藝?yán)^續(xù)演進(jìn)以外，晶體管也做了幾次變遷。在即將進(jìn)入全新一代的晶體管以前，我們來(lái)回顧一下前幾代晶體管的發(fā)展。

歷史

真空管的發(fā)明推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。這些裝置將控制真空中的電子流動(dòng)。但是，在第二次世界大戰(zhàn)之后，據(jù)觀察，由于大量的分立組件，這些設(shè)備的復(fù)雜性和功耗正在顯著增加。結(jié)果，設(shè)備的性能將持續(xù)下降。一個(gè)例子是一架波音B-29，它在戰(zhàn)爭(zhēng)中將由300-1000個(gè)真空管組成。每增加一個(gè)組件都會(huì)降低其可靠性并增加故障排除時(shí)間。

1947年這取得了重大突破，貝爾實(shí)驗(yàn)室的John Baden，William Shockley和Watter Brattain推出了第一個(gè)功能點(diǎn)接觸鍺晶體管。1950年，肖克利開(kāi)發(fā)了第一個(gè)雙極結(jié)型晶體管（BJT）。與真空管相比，晶體管更可靠，功率效率更高，尺寸更小。晶體管是一個(gè)三端設(shè)備，可以看作是一個(gè)電控開(kāi)關(guān)。其中一個(gè)終端用作控制端子。理想情況下，如果將電流施加到控制端子，則該設(shè)備將充當(dāng)兩個(gè)端子之間的閉合開(kāi)關(guān)，否則將充當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。1958年，德州儀器（TI）的Jack Kilby建立了第一個(gè)集成電路，該集成電路由連接在一塊硅上的兩個(gè)雙極晶體管組成，從而開(kāi)啟了“硅時(shí)代”。早期的IC使用雙極結(jié)型晶體管。BJT的缺點(diǎn)之一是由于更多的靜態(tài)功耗而產(chǎn)生的問(wèn)題。這意味著即使電路不切換也要消耗功率。這限制了可以集成到單個(gè)硅芯片中的晶體管的最大數(shù)量。

1963年，Fairchild的Frank Wanlass和CTSah推出了第一款邏輯門，其中在互補(bǔ)對(duì)稱電路配置中使用了n溝道和p溝道晶體管。這就是今天所謂的CMOS。靜態(tài)功耗幾乎為零。

早期的IC使用NMOS技術(shù)，因?yàn)榕cCMOS技術(shù)相比，NMOS工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜并且可以將更多設(shè)備封裝到一個(gè)芯片中。英特爾于1971年發(fā)布了第一個(gè)微處理器。

由于NMOS晶體管的靜態(tài)功耗要比CMOS高，因此IC的功耗在1980年代成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槌汕先f(wàn)個(gè)晶體管被集成到一個(gè)芯片中。由于具有低功耗，可靠的性能和高速等特性，CMOS技術(shù)將在幾乎所有數(shù)字應(yīng)用中采用并取代NMOS和雙極性技術(shù)。

在接下來(lái)的幾年里，CMOS的縮放和加工技術(shù)的改進(jìn)推動(dòng)電路速度的不斷提高，以及芯片封裝密度和微電子產(chǎn)品的性能成本比的進(jìn)一步提高。

在這里，我們討論了Bulk-Si CMOS技術(shù)，縮放的必要性和重要性，它們的各種影響以及相關(guān)的解決方案。我們還解決了晶體管材料和先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中使用的任何新材料的物理縮放限制。如今，由于在32nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)下遇到的種種局限性，行業(yè)轉(zhuǎn)向SOI和FinFET，取代平面晶體管。

MOSFET器件概述

在這里，我們首先討論與CMOS核心單元（即MOSFET或簡(jiǎn)稱MOS）有關(guān)的基本結(jié)構(gòu)，操作和重要術(shù)語(yǔ)。第一個(gè)成功的MOS晶體管將金屬用作柵極材料，將SiO2（氧化物）用作絕緣體，將半導(dǎo)體用作襯底。因此，該器件被稱為MOS晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）是，柵極通過(guò)晶體管導(dǎo)通和截止，電場(chǎng)穿過(guò)柵極氧化物。

A. MOS的結(jié)構(gòu)：

根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型，兩種MOS結(jié)構(gòu)是顯而易見(jiàn)的：n溝道和p溝道MOS。在這里，我們將僅概述NMOS晶體管，因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管本質(zhì)上是互補(bǔ)的。

MOS晶體管是具有端子漏極，源極，柵極和主體（基板）的4端子設(shè)備。圖1顯示了NMOS的3維結(jié)構(gòu)。NMOS晶體管形成在p型硅基板（也稱為主體）上。在器件的頂部中央部分，形成了一個(gè)低電阻率的電極，該電極通過(guò)絕緣體與主體隔開(kāi)。通常，具有n型或p型重?fù)诫s的多晶硅被用作柵極材料。在此，二氧化硅（SiO 2或簡(jiǎn)單地為氧化物）用作絕緣體。通過(guò)將施主雜質(zhì)注入襯底的兩側(cè)，形成源極和漏極。在圖1中，這些區(qū)域用n +表示，表示給體雜質(zhì)的重?fù)诫s。這種重?fù)诫s導(dǎo)致這些區(qū)域的電阻率低。

如果兩個(gè)n +區(qū)域偏置在不同的電勢(shì)，則處于較低電勢(shì)的n +區(qū)域?qū)⒊洚?dāng)源極，而另一個(gè)將充當(dāng)漏極。因此，漏極和源極端子可以根據(jù)施加到它們的電勢(shì)互換。源極和漏極之間的區(qū)域稱為具有寬度W和長(zhǎng)度L的溝道，在決定MOS晶體管的特性方面起著重要作用。

圖1. NMOS晶體管的結(jié)構(gòu)

B.為什么用多晶硅作為柵極材料？

在半導(dǎo)體工業(yè)的早期，金屬鋁通常用作MOS的首選柵極材料。但是后來(lái)，多晶硅被優(yōu)選作為柵極材料。向多晶硅過(guò)渡的兩個(gè)主要原因如下文所述。

早期的MOS制造工藝始于源區(qū)和漏區(qū)的定義和摻雜。然后，使用限定了柵極氧化物區(qū)域的柵極掩模，該柵極氧化物區(qū)域隨后將形成鋁金屬柵極。

這種制造工藝的主要缺點(diǎn)之一是，如果柵極掩模未對(duì)準(zhǔn)，則會(huì)產(chǎn)生寄生重疊輸入電容Cgd和Cgs，如圖2（a）所示。電容Cgd更有害，因?yàn)樗欠答侂娙?。由于米勒電容，晶體管的開(kāi)關(guān)速度會(huì)降低。

柵極掩模未對(duì)準(zhǔn)的一種解決方案是所謂的“自對(duì)準(zhǔn)柵極工藝”。該過(guò)程從創(chuàng)建柵極區(qū)域開(kāi)始，然后使用離子注入創(chuàng)建漏極和源極區(qū)域。柵極下方的薄柵極氧化物用作摻雜工藝的掩模，可防止在柵極區(qū)域（溝道）下方進(jìn)一步摻雜。因此，此過(guò)程使柵極相對(duì)于源極和漏極自對(duì)準(zhǔn)。結(jié)果，源極和漏極不在柵極下方延伸。從而降低Cgd和Cgs，如圖2（b）所示。

圖2.（a）Cgd – Cgs寄生電容，（b）由于自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程而降低的Cgd和Cgs

漏極和源極的摻雜過(guò)程需要非常高的溫度退火方法（》 8000 * C）。如果將鋁用作柵極材料，它將在如此高的溫度下熔化。這是因?yàn)锳l的熔點(diǎn)約為660攝氏度。但是，如果將多晶硅用作柵極材料，它將不會(huì)熔化。因此，利用多晶硅柵極可以進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)工藝。而對(duì)于Al-gate，則不可能，這會(huì)導(dǎo)致高Cgd和Cgs。未摻雜的多晶硅具有非常高的電阻率，約為108 ohm / Cm。因此，以降低電阻的方式摻雜多晶硅。

選擇多晶硅的另一個(gè)原因是MOS晶體管的閾值電壓與柵極和溝道之間的功函數(shù)差相關(guān)。早先，當(dāng)工作電壓在3-5伏范圍內(nèi)時(shí)，使用金屬門。但是，隨著晶體管的縮小，這確保了器件的工作電壓也降低了。在這種條件下，具有如此高的閾值電壓的晶體管將無(wú)法工作。與多晶硅相比，使用金屬作為柵極材料會(huì)導(dǎo)致較高的閾值電壓，因?yàn)槎嗑Ч璧某煞峙c體硅溝道的成分相同或相似。另外，由于多晶硅是半導(dǎo)體，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)摻雜水平來(lái)調(diào)節(jié)其功函數(shù)。

C. MOS的工作原理：

對(duì)于MOS晶體管，柵極電壓確定在漏極和源極之間是否會(huì)發(fā)生電流流動(dòng)。讓我們進(jìn)一步看。當(dāng)足夠正的Vgs電壓施加到NMOS的柵極時(shí)，正電荷將置于柵極上方，如圖3所示。這些正電荷將排斥p型襯底的少數(shù)載流子，即來(lái)自襯底的空穴，留下產(chǎn)生耗盡區(qū)的負(fù)電荷受體離子。如果我們進(jìn)一步提高Vgs，則在某些電勢(shì)水平下，它甚至?xí)贡砻嫖娮?。因此，大量電子被吸引到表面。這種情況稱為反轉(zhuǎn)，因?yàn)閜型體的表面通常具有大量的空穴，但是較新的表面具有大量的電子。

漏極至本體和源極至本體保持反向偏置。在圖3中，源到體保持零偏置。由于漏極至本體的電勢(shì)比源極至本體的電勢(shì)更正，因此漏極至本體的反向偏置更大，導(dǎo)致漏極區(qū)下方的耗盡層比源極側(cè)更深。

當(dāng)施加跨漏極至源極的正電勢(shì)時(shí)，電子從源極流經(jīng)導(dǎo)電溝道，并由漏極排出。因此，正電流Id從漏極流至源極。

圖3.反相區(qū)域中的NMOS晶體管

晶體管縮放的驅(qū)動(dòng)力

電池供電的便攜式設(shè)備的需求隨著蜂窩電話，筆記本電腦等大量應(yīng)用的增加而日益增加。此類應(yīng)用的“基本要求”是面積較小，功耗較低且開(kāi)發(fā)成本較低。對(duì)于這種便攜式設(shè)備，功率消耗很重要，因?yàn)殡姵靥峁┑墓β氏喈?dāng)有限。不幸的是，不能期望電池技術(shù)每五年將電池存儲(chǔ)容量提高30％以上。這不足以處理便攜式設(shè)備所需的不斷增加的功率。

1965年，戈登·摩爾（Gordon E. Moore）預(yù)測(cè)集成電路中的晶體管數(shù)量每?jī)赡陮⒎环Ｍㄟ^(guò)使晶體管更小，可以在硅晶片上制造更多的電路，因此電路變得更便宜。由于電流從漏極流到源極所需的時(shí)間更少，因此溝道長(zhǎng)度的減小可加快開(kāi)關(guān)操作的速度。換句話說(shuō)，較小的晶體管導(dǎo)致較小的電容。這導(dǎo)致晶體管延遲的減小。由于動(dòng)態(tài)功率與電容成正比，因此功耗也降低了。晶體管尺寸的這種減小稱為縮放。每次縮放晶體管時(shí)，我們都會(huì)說(shuō)一個(gè)新技術(shù)節(jié)點(diǎn)被引入。例如，10nm、7nm和5nm等。隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展，這種擴(kuò)展都會(huì)提高成本、性能和功耗。

對(duì)于長(zhǎng)溝道設(shè)備，沿著溝道四個(gè)側(cè)面的“邊緣效應(yīng)”確實(shí)可以忽略不計(jì)。對(duì)于長(zhǎng)溝道設(shè)備，電場(chǎng)線到處都垂直于溝道表面。這些電場(chǎng)由柵極電壓和背柵極電壓控制。但是，對(duì)于短溝道器件，漏極和源極結(jié)構(gòu)更靠近溝道，特別是當(dāng)溝道中的縱向電場(chǎng)進(jìn)入圖像時(shí)?？v向電場(chǎng)由漏極-源極電壓控制?？v向電場(chǎng)平行于電流流動(dòng)方向。如果溝道長(zhǎng)度不大于源極和漏極耗盡寬度之和，則該器件稱為短溝道器件。

在本節(jié)中，我們將討論由于二維電勢(shì)分布和短溝道中的高電場(chǎng)而產(chǎn)生的各種不良影響。

A.載流子速度飽和度和遷移率下降：

對(duì)于較低的電場(chǎng)值，溝道中的電子漂移速度與電場(chǎng)成比例。這些漂移速度傾向于在高電場(chǎng)下飽和。這稱為速度飽和。對(duì)于短溝道設(shè)備，縱向電場(chǎng)通常也會(huì)增加。在如此高的電場(chǎng)下，會(huì)發(fā)生速度飽和，這會(huì)影響MOSFET的IV特性。已經(jīng)觀察到，對(duì)于相同的柵極電壓，MOSFET的飽和模式是在較小的漏極-源極電壓值和飽和電流降低下實(shí)現(xiàn)的。

由于較高的垂直電場(chǎng)，溝道的載流子從氧化物界面飛散。這導(dǎo)致載流子遷移率的下降和漏極電流的減小。

B、漏極引起的載流子降低：

另一個(gè)短溝道效應(yīng)稱為DIBL，它是指在較高的漏極電壓下閾值電壓的降低。如果柵極電壓不足以使表面反轉(zhuǎn)（即，柵極電壓《閾值電壓），則溝道中的載流子將面對(duì)勢(shì)壘，該勢(shì)壘會(huì)阻止流動(dòng)。通過(guò)增加?xùn)艠O電勢(shì)，我們消除了這種勢(shì)壘。但是，對(duì)于短溝道設(shè)備，這種勢(shì)壘由Vgs和Vds共同控制。如果該漏極電壓增加，則漏極主體的耗盡區(qū)尺寸增大并且在柵極下方延伸。因此，即使在低于Vt的Vgs處，溝道中的勢(shì)壘也會(huì)減小，從而導(dǎo)致載流子（電子）在源極和漏極之間流動(dòng)。漏極降低溝道勢(shì)壘并降低閾值電壓的概念稱為DIBL。閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度的這種減小稱為V t滾降。在這種條件下流動(dòng)的電流稱為亞閾值電流（斷態(tài)電流）。即使在飽和模式下，DIBL也會(huì)導(dǎo)致漏極電流隨著漏極偏置的增加而增加。

C.穿通（Punch-through：）

穿通是一種嚴(yán)重的屏障下降現(xiàn)象。當(dāng)漏極偏壓增加時(shí)，圍繞漏極的耗盡區(qū)可以在兩個(gè)耗盡區(qū)合并的情況下進(jìn)一步向源極延伸。這種情況稱為穿通。在這種情況下，隨著漏極電流的急劇上升，柵極電壓失去了對(duì)漏極電流的控制。穿通效應(yīng)隨溝道長(zhǎng)度的減小而增加。由于穿通，我們無(wú)法關(guān)閉設(shè)備，因此該設(shè)備變得無(wú)用，如圖4所示。

圖4.穿通–合并兩個(gè)耗盡區(qū)

D.熱載流子效應(yīng)：

對(duì)于較小的幾何器件，電場(chǎng)特別是在漏極附近增加。結(jié)果，電子（載流子）獲得了大量的能量，稱為熱載流子。

它們中的一些獲得幾乎足夠的能量，從而導(dǎo)致在漏極附近發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。結(jié)果，它會(huì)引起漏極到身體的電流（I db）。少量熱電子可能會(huì)穿過(guò)氧化物隧穿并通過(guò)柵極收集自身。盡管某些熱載流子甚至?xí)p壞氧化物，從而導(dǎo)致器件性能下降。

控制短溝道效果

我們?cè)谏弦还?jié)中觀察到，如果溝道長(zhǎng)度比耗盡區(qū)小，那么短溝道效應(yīng)將變得無(wú)法忍受。這限制了柵極長(zhǎng)度的進(jìn)一步減小。為了限制這些影響，應(yīng)減小耗盡區(qū)寬度并相應(yīng)減小溝道長(zhǎng)度。這可以通過(guò)增加溝道摻雜濃度或增加?xùn)艠O電容，或兩者兼而有之來(lái)實(shí)現(xiàn)。柵極電容決定了柵極對(duì)溝道的控制。等式1表示可以通過(guò)縮放（減小）柵極氧化層厚度來(lái)增加?xùn)艠O電容。已經(jīng)觀察到具有更薄的柵極氧化物的器件具有減小的耗盡寬度，并因此改善了SCE特性。

COX = EOX / TOX （方程- 1）其中COX ： 柵極氧化物電容，EOX ： 氧化物的電場(chǎng)TOX ：氧化物厚度

在過(guò)去的幾十年年中，對(duì)于英特爾的工藝節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)觀察到氧化物的比例大致與溝道長(zhǎng)度成比例，以限制SCE。

傳統(tǒng)縮放的創(chuàng)新

A.移動(dòng)助推器：應(yīng)變硅技術(shù)

納米級(jí)晶體管中關(guān)鍵的縮放問(wèn)題之一是由較大的垂直電場(chǎng)引起的遷移率降低。有很多方法可以增強(qiáng)晶體管的性能和遷移率。一種方法是在溝道中使用鍺薄膜，因?yàn)殒N具有較高的載流子遷移率。另一種方法是通過(guò)在溝道中引入機(jī)械應(yīng)變來(lái)使用應(yīng)變硅。

應(yīng)變硅技術(shù)涉及使用各種方式對(duì)硅晶體進(jìn)行物理拉伸或壓縮，從而增加載流子（電子/空穴）的遷移率并增強(qiáng)晶體管的性能。例如，當(dāng)溝道受到壓縮應(yīng)力時(shí)，可以增加PMOS的空穴遷移率。

為了在硅溝道中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，通過(guò)外延生長(zhǎng)用Si-Ge膜填充源區(qū)和漏區(qū)。Si-Ge通常包含20％的鍺和80％的硅混合物。Si和Ge原子的數(shù)量等于原始Si原子。鍺原子大于硅原子。因此，當(dāng)產(chǎn)生力時(shí)，它會(huì)推動(dòng)溝道并提高孔的遷移率。增加半導(dǎo)體的遷移率可改善驅(qū)動(dòng)電流和晶體管速度。

MOS晶體管的應(yīng)變硅技術(shù)于2003年由Intel首次在其90nm工藝技術(shù)中使用。在該技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，用于PMOS晶體管的Si-Ge源極漏極結(jié)構(gòu)在溝道中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，從而使電流提高了25％。通過(guò)在晶體管周圍添加高應(yīng)力Si 3 N 4覆蓋層來(lái)引入NMOS應(yīng)變，可將電流提高10％。

B.減少柵極漏電流：高介電常數(shù)

SiO2（氧化物）電介質(zhì)的厚度應(yīng)與其溝道長(zhǎng)度成比例。65納米節(jié)點(diǎn)需要約2.3納米（實(shí)際為1.6納米）的有效氧化物厚度（EOT）。但是，如果將氧化物厚度進(jìn)一步降低到此點(diǎn)以下，則載流子現(xiàn)象的直接隧穿將占主導(dǎo)地位。結(jié)果，柵極泄漏增加到不可接受的極限。因此，氧化物的厚度極限約為1.6nm，這是由柵至溝道隧穿泄漏（也稱為量子機(jī)械隧穿）設(shè)置的。

如果我們看方程式1，剩下的唯一選擇就是選擇具有高介電常數(shù)（K）的介電材料，以增加氧化物電容。由于可以使用更厚的介電層，因此我們可以獲得較高的柵極氧化物電容。該較厚的層導(dǎo)致較少的載流子隧穿。SiO2的介電常數(shù)為3.9。柵氧化物的突破是在2007年，基于Intel （HfO2）的High-K介電材料是Intel在其45nm大批量生產(chǎn)工藝中首次引入的。material材料的介電常數(shù)約為25，比SiO2高6倍。

圖5. a）PMOS：?jiǎn)屋S拉伸應(yīng)變b）NMOS：?jiǎn)屋S拉伸應(yīng)變

EOT由等式3給出。等式3表示6nm厚的HfO2提供約1nm的EOT。

EOT = （ 3.9 X TOX ） / K （方程 - 3）其中：EOT：有效氧化物厚度，TOX：氧化物厚度，K：材料的介電常數(shù)

C.消除多晶硅耗盡：金屬柵極

在多晶硅和柵極氧化物的界面處形成耗盡區(qū)。隨著器件尺寸的不斷縮小，這種多晶硅的損耗會(huì)變大，等效氧化物厚度的較大部分將限制柵極氧化物的電容。多晶硅耗盡的負(fù)面影響是由于反型層電荷密度的降低和器件性能的下降。因此，除了柵極氧化物的厚度之外，多晶硅耗盡層的厚度也需要最小化。

此外，由于諸如閾值電壓釘扎和光子散射之類的效應(yīng)，多晶硅柵極也可能與高K電介質(zhì)不兼容，這使得難以獲得低閾值電壓并降低溝道的遷移率。

消除多晶硅耗盡效應(yīng)的一種解決方案是使用金屬柵極代替多晶硅柵極。金屬柵極不僅可以消除多晶硅耗盡效應(yīng)，而且還可以使用高K電介質(zhì)。

英特爾首次采用高K介電和金屬柵極技術(shù)推出了45納米節(jié)點(diǎn)。NMOS和PMOS使用不同的金屬，因?yàn)镹MOS和PMOS需要不同的功函數(shù)。

晶體管工藝流程始于高K電介質(zhì)和虛擬多晶硅的沉積。在高溫退火工藝之后，沉積并拋光層間電介質(zhì)以暴露多晶硅。然后，去除偽多晶硅。最后，在柵極溝槽中沉積PMOS，然后沉積NMOS功函數(shù)金屬。

創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)

對(duì)于常規(guī)的MOS結(jié)構(gòu)，隨著溝道長(zhǎng)度的縮小，柵極不能完全控制溝道，這是不希望的。其影響之一是導(dǎo)致從漏極到源極的更多亞閾值泄漏，從功耗的角度來(lái)看，這是不好的。在傳統(tǒng)的MOS中，柵極不能控制泄漏路徑，該泄漏路徑與柵極之間的距離很遠(yuǎn)?？梢允褂酶鞣NMOS結(jié)構(gòu)來(lái)改善這一點(diǎn)，這些結(jié)構(gòu)允許晶體管的縮放超出常規(guī)MOS縮放限制。在本節(jié)中，我們將討論兩個(gè)新的MOS結(jié)構(gòu)，即SOI和FinFET。兩種結(jié)構(gòu)的主要目的是使柵極至溝道電容最大，并使漏極至溝道電容最小。

A.絕緣體上硅（SOI）：

常規(guī)MOS結(jié)構(gòu)與SOI MOS結(jié)構(gòu)之間的主要區(qū)別在于SOI器件具有掩埋氧化物層，該掩埋層使主體與襯底隔離。如圖7所示，SOI晶體管是一個(gè)planner設(shè)備。

除了起始硅晶片之外，SOI MOS的制造工藝與體MOS（常規(guī)MOS）工藝相似。SOI晶圓具有三層；1.硅薄表面層（形成晶體管的地方）。2.絕緣材料的底層。3.支撐或“處理”硅晶片。

SOI晶圓

掩埋氧化物層背后的基本思想是，它將減少寄生結(jié)電容。寄生電容越小，晶體管工作的速度就越快。提供更高的性能。由于BOX層，沒(méi)有多余的泄漏路徑遠(yuǎn)離柵極。這導(dǎo)致較低的功耗。

根據(jù)操作過(guò)程中薄體的狀況，SOI器件可分為部分耗盡（PD）SOI和完全耗盡（FD）SOI。與PD SOI相比，F(xiàn)D SOI具有非常薄的自身結(jié)構(gòu)，因此在運(yùn)行過(guò)程中自身已完全耗盡。此FD SOI也稱為超薄型SOI。對(duì)于PD SOI，主體的厚度為50 nm至90 nm。而對(duì)于FD SOI，主體的厚度約為5納米至20納米。

圖7. SOI FET的結(jié)構(gòu)

SOI設(shè)備的優(yōu)勢(shì)：

由于氧化層隔離，漏極/源極的寄生電容降低了。因此，與批量CMOS相比，該器件的延遲和動(dòng)態(tài)功耗更低。

由于具有氧化層，與體CMOS相比，閾值電壓對(duì)背柵偏置的依賴性較小。這使SOI器件更適合低功耗應(yīng)用。

SOI器件的亞閾值特性更好，因此漏電流更小。

SOI設(shè)備沒(méi)有閂鎖問(wèn)題。

SOI設(shè)備的缺點(diǎn)：

PD SOI設(shè)備的缺點(diǎn)之一是它們受歷史影響。在PD SOI中，隨著物體變厚，浮體變得明顯。因此，人體電壓取決于設(shè)備的先前狀態(tài)。該浮體電壓可以改變器件的閾值電壓。這可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)相同晶體管之間的嚴(yán)重失配。

SOI器件的另一個(gè)問(wèn)題是自熱。在SOI器件中，有源薄膜位于氧化硅上，氧化硅是很好的絕熱材料。在操作過(guò)程中，有源區(qū)消耗的功率無(wú)法輕易耗散。結(jié)果，薄體的溫度升高，這降低了器件的遷移率和電流。

FD SOI的挑戰(zhàn)之一是制造薄型SOI晶圓的困難。

B.FinFET：

臺(tái)積電前首席技術(shù)官和伯克利大學(xué)教授胡正明及其團(tuán)隊(duì)在1999年提出了FinFET的概念，并在2000年提出了UTB-SOI（FD SOI）的概念。這兩種結(jié)構(gòu)的主要原理是薄體，因此柵極電容更接近整個(gè)溝道。身體非常薄，大約10nm或更短。因此，沒(méi)有遠(yuǎn)離柵極的泄漏路徑。澆口可以有效地控制泄漏。

他們提出的FinFET的基本結(jié)構(gòu)將是一個(gè)由多個(gè)溝道的一側(cè)控制的溝道。雙門結(jié)構(gòu)之一如圖8所示。

圖8.雙柵極結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代FinFET是3D結(jié)構(gòu)，如圖9所示，也稱為三柵晶體管。FinFET可以在體硅或SOI晶圓上實(shí)現(xiàn)。這種FinFET結(jié)構(gòu)由基板上硅體的?。ù怪保捚M成。閘門纏繞在溝道周圍，可從溝道的三個(gè)側(cè)面進(jìn)行出色的控制。這種結(jié)構(gòu)之所以稱為FinFET，是因?yàn)槠銼i體類似于魚(yú)的背鰭。

圖9. Fin-FET結(jié)構(gòu)

在批量MOS（計(jì)劃MOS）中，溝道是水平的。在FinFET溝道中時(shí)，它是垂直的。因此，對(duì)于FinFET，溝道的高度（Fin）決定了器件的寬度。溝道的理想寬度由公式4給出。

Width of Channel = 2 X Fin Height + Fin Width （Equation-4）（來(lái)源：Synopsys）

FinFET的驅(qū)動(dòng)電流可以通過(guò)增加溝道的寬度（即通過(guò)增加Fin的高度）來(lái)增加。我們還可以通過(guò)構(gòu)建如圖10所示的連接在一起的多個(gè)平行鰭來(lái)增加器件驅(qū)動(dòng)電流。這意味著對(duì)于FinFET，任意溝道寬度都是不可能的，因?yàn)樗偸泅捀叨鹊谋稊?shù)。因此，設(shè)備的有效寬度變得量化了。在planner設(shè)備中，可以通過(guò)更改溝道寬度自由選擇設(shè)備的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

圖10.多鰭FinFET結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的MOS中，將摻雜物插入到溝道中，以減少各種SCE并確保高Vth。在FinFET中，柵極結(jié)構(gòu)包裹在溝道周圍，并且主體很薄，提供了更好的SCE，因此溝道摻雜成為可選的。這意味著FinFET受摻雜劑引起的變化的影響較小。低溝道摻雜還確保了溝道內(nèi)部載流子的更好遷移性。因此，更高的性能。在這里注意到的一件事是FinFET和SOI技術(shù)都引入了“主體厚度”作為新的縮放參數(shù)。

FinFET技術(shù)提供了優(yōu)于塊CMOS的眾多優(yōu)勢(shì)，例如，給定晶體管占位面積的驅(qū)動(dòng)電流更高，因此具有更高的速度，更低的泄漏，更低的功耗，無(wú)隨機(jī)的摻雜波動(dòng)，從而使晶體管的遷移率和縮放度超過(guò)了28nm，而臺(tái)積電也更將這個(gè)晶體管技術(shù)應(yīng)用到其5nm芯片上。

接下來(lái)是什么？

FinFET和SOI結(jié)構(gòu)均具有更好的柵極控制和較低的閾值電壓，且泄漏較少。但是，當(dāng)我們移到較低的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（例如10nm節(jié)點(diǎn)以下）時(shí)，泄漏問(wèn)題再次開(kāi)始。這導(dǎo)致許多其他問(wèn)題，例如閾值平坦化，功率密度增加和散熱。FinFET結(jié)構(gòu)在散熱方面效率較低，因?yàn)闊崃亢苋菀追e聚在鰭片上。與其他設(shè)計(jì)規(guī)則（例如可制造性設(shè)計(jì)）不同，這些擔(dān)憂可能會(huì)導(dǎo)致一類新的設(shè)計(jì)規(guī)則-散熱設(shè)計(jì)。

隨著這些設(shè)備接近其極限，行業(yè)正在努力合作以提供潛在的解決方案，包括修改設(shè)備結(jié)構(gòu)，用新材料替換現(xiàn)有的硅材料。其中包括碳納米管（CNT）FET和GAA等都是當(dāng)前的熱們選擇。

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