文章來(lái)源：十二芯座

原文作者：Lychee

FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）自 2011 年由 Intel 商業(yè)化以來(lái)，統(tǒng)治了半導(dǎo)體先進(jìn)制程超過(guò) 15 年。

它通過(guò)三維鰭狀結(jié)構(gòu)克服了平面 MOSFET 的短溝道效應(yīng)，支撐了從 22nm 到 3nm 的摩爾定律延續(xù)。

然而，隨著制程進(jìn)入 2nm 關(guān)口，F(xiàn)inFET 物理極限凸顯，靜電控制能力達(dá)到飽和。近年，行業(yè)正處于從 FinFET 向 GAAFET（環(huán)繞柵極晶體管）轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵拐點(diǎn)。

三維物理邏輯

在平面 MOSFET 時(shí)代，柵極僅從上方控制溝道。當(dāng)溝道長(zhǎng)度縮短至 20nm 以下時(shí)，漏電流會(huì)通過(guò)溝道下方“流走”，導(dǎo)致嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)（SCE）。

FinFET 的核心創(chuàng)新在于將溝道從平面“提起”成為垂直的鰭片（Fin），讓柵極（Gate）從三個(gè)側(cè)面包圍溝道。

Source: AMAT

1.1幾何參數(shù)與電學(xué)性能

FinFET 的性能由以下關(guān)鍵維度定義：

Fin Height (Hfin)：鰭片高度決定了驅(qū)動(dòng)電流（Ion）。由于鰭片是垂直的，增加高度可以在不增加水平面積的情況下提升電流，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

Fin Width (Wfin)：鰭片寬度是控制漏電的關(guān)鍵。Wfin 越窄，柵極對(duì)溝道的靜電控制力越強(qiáng)，亞閾值擺幅（SS）越接近理想的 60mV/dec。

Gate Pitch：柵極間距。在 5nm/3nm 節(jié)點(diǎn)，柵極間距已縮減至極限，導(dǎo)致寄生電容劇增。

1.2 物理極限的紅線：量子隧穿與散熱陷阱

進(jìn)入 3nm 節(jié)點(diǎn)后，F(xiàn)inFET 面臨兩大瓶頸：

靜電控制飽和：三面包裹已不足以抑制電子在亞納米尺度下的量子隧穿，漏電流（Ioff）急劇上升。

鰭片深寬比挑戰(zhàn)：為了維持電流，鰭片需要做得更高、更薄，但在制造工藝中，極細(xì)高的鰭片極易發(fā)生倒塌或刻蝕不均。

FinFET的有效寬度

在傳統(tǒng)的平面晶體管中，寬度僅僅是硅表面上的一個(gè)平面尺寸。而在 FinFET 中，柵極（Gate）是包裹在垂直“鰭片”（Fin）的三個(gè)側(cè)面上的。因此，電流可以流動(dòng)的總寬度是這三個(gè)側(cè)面的總和：

結(jié)合圖片中的標(biāo)注來(lái)看：

W1：鰭片頂部的寬度。

H1 & H2：鰭片兩個(gè)垂直側(cè)面的高度。

公式：有效寬度 = W1 + H1 + H2

增加晶體管寬度的方法

由于 FinFET 是 3D 結(jié)構(gòu)，“W”并不像平面設(shè)計(jì)那樣是一個(gè)可以隨意改變的連續(xù)變量。通常通過(guò)以下兩種方式來(lái)增加寬度：

多鰭片設(shè)計(jì)：這是最常用的方法。為了獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流，只需設(shè)計(jì)柵極跨越多個(gè)并聯(lián)的鰭片即可。這使得 FinFET 的設(shè)計(jì)變得“量子化”（即寬度是離散的，不是連續(xù)的）。

增加鰭片高度：把鰭片做得更高，可以在不占用芯片更多水平空間的情況下增加表面積（從而增加有效寬度）。

權(quán)衡與取舍

正如文中所述，鰭片高度與寬度的比例至關(guān)重要：

性能：更高的鰭片能提供更高的驅(qū)動(dòng)電流，但制造難度更大（刻蝕深而窄的溝槽是很困難的）。

穩(wěn)定性：如果鰭片太高且太細(xì)，在制造過(guò)程中結(jié)構(gòu)會(huì)變得不穩(wěn)定（可能會(huì)“倒塌”或傾斜）。

靜電特性：鰭片的寬度必須足夠薄，以便柵極能夠?qū)系辣３帧皷艠O控制”，從而防止漏電。這也是 FinFET 優(yōu)于平面晶體管的一大優(yōu)勢(shì)。

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