FinFET（鳍型MOSFET）简介

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1、半导体的工艺尺寸

在我们谈到半导体工艺尺寸的时候，通常对于下面的一串数字耳熟能详：3um、2um、1.5um、1um、0.8um、0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.13um、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm...有人说5nm是半导体工艺的极限尺寸，也有人说1nm是半导体工艺的极限尺寸；iPhone6s的 A9处理器更出现了三星14nm工艺和台积电16nm工艺二个版本、哪个版本更先进的激烈的争论。这里的工艺尺寸，通常是指集成电路的最小线宽，那么在集成电路的内部，最小的线宽是指哪一个几何尺寸呢？

在集成电路的内部，最小的功能单元是平面横向导电的MOSFET，如下图所示，这个结构及其工作原理以前的文章介绍过：功率MOSFET的结构及特点，其由三个电极：G栅极、D漏极和S源极组成。

图1：平面横向导电MOSFET

灰色Gate栅极的宽度、也就是沟槽宽度或者线宽，通常所说的多少多少um、多少多少nm就是指的这个宽度，而不是每个晶胞单元的尺寸。

沟槽宽度的减小，可以带来如下的优点：

（1）沟槽宽度对应着D到S极的距离，沟槽宽度减小，载流子流动跨越沟道的导通时间减小，这样允许工作的开关频率就可以提高；

（2）沟槽宽度小，沟道完全开通所加的G极电压可以降低，导通更容易，开关损耗降低；

（3）沟槽宽度减小，沟道导通电阻降低，也更一进降低导通损耗。

正因为这些优点，也驱使半导体制造公司不断的采取新的工艺，追求更低的工艺尺寸，来提升半导体器件的性能、降低功耗。

图2：变形的平面横向导电MOSFET结构

图2右上角为平面MOSFET的结构，实际的结构稍微变形，如图2下方的所示，G极同样也是跨在D和S之间，G极下面为绝缘的氧化层。

同一代技术，半导体生产的二大巨头英特尔和台积电，采用的线宽稍有差别，如下图所示。

图3：英特尔和台积电工艺

2、传统平面结构的限制

近些年来，半导体工艺不断的向着微型化发展，基于传统平面MOSFET结构的晶胞单元不断的缩小，漏、源的间距也不断的减小，G极下面的接触面积越来越小，G极的控制力就不断的减弱，带来的问题就是不加栅极电压时漏源极的漏电流增加，导致器件的性能恶化，同时增加了静态的功耗。

增加G极面积的方法，就必须采用新的结构，如三维结构。三维的G极结构有二种类型：一是双栅极结构，二是Fin型结构，也就是非常有名的鳍型结构，如下图所示。

(a)：双栅极结构

G极不加电压   单G极加电压   双G极加电压  

(b)：导通沟道

图4：双栅极结构及导通沟道

双栅极结构形成二个沟道，减小沟道的导通电阻，增强了通流的能力和G极对沟道的控制能力。

图5：Fin鳍型结构

FinFET结构看起来像鱼鳍，所以也被称为鳍型结构，其最大的优点是Gate三面环绕D、S两极之间的沟道（通道），实际的沟道宽度急剧地变宽，沟道的导通电阻急剧地降低，流过电流的能力大大增强；同时也极大地减少了漏电流的产生，这样就可以和以前一样继续进一步减小Gate宽度。

目前三星和台积电在其14/16nm这一代工艺都开始采用FinFET技术。

图6：Intel（左：22nm）和Samsung（右：14nm）Fin鳍型结构

注：图3、图6的图片来于网络。