中國微電子所在FinFET工藝上的突破有何意義？

　　最近，中國微電子所集成電路先導工藝研發(fā)中心在下一代新型FinFET邏輯器件工藝研究上取得重要進(jìn)展。微電子所殷華湘研究員的課題組，利用低溫低阻NiPt硅化物在新型FOI FinFET上實(shí)現了全金屬化源漏(MSD)，能顯著(zhù)降低源漏寄生電阻，從而將N/PMOS器件性能提高大約30倍，使得驅動(dòng)性能達到了國際先進(jìn)水平。

　　基于本研究成果的論文被2016年IEEE國際電子器件大會(huì )(IEDM)接收，并在IEDM的關(guān)鍵分會(huì )場(chǎng)之一——硅基先導CMOS 工藝和制造技術(shù)(PMT)上，由張青竹做了學(xué)術(shù)報告。

　　那么，這個(gè)新型FinFET邏輯器件工藝是干啥用的呢?通俗的說(shuō)就是下一用來(lái)制造CPU等邏輯器件的工藝，舉例來(lái)說(shuō)，現在14/16nm芯片大多采用FinFET工藝，而這個(gè)新型FinFET則是國內對下一代工藝的有益探索。

　　| FinFET和SOI

　　在介紹微電子所開(kāi)發(fā)出的新工藝之前，先介紹下FinFET和FD-SOI工藝。

　　FinFET 中的 Fin是指鰭式，FET是指場(chǎng)效應晶體管，合起來(lái)就是鰭式場(chǎng)效應晶體管。在FinFET問(wèn)世前，一直在使用MOSFET，但由于當柵長(cháng)小于20nm的情況下，源極和漏極過(guò)于接近且氧化物也愈薄，這很有可能會(huì )漏電現象。

　　因此， 美國加州大學(xué)伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授 發(fā)明了FinFET ，把原本 2D 構造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET ，由于構造很像魚(yú)鰭，也就得名“鰭式”。

　　2015年，胡正明教授憑借在FinFET上的貢獻榮獲美國年度國家技術(shù)和創(chuàng )新獎。根據胡正明教授本人的介紹，FinFET實(shí)現了兩個(gè)突破：一是把晶體做薄并解決了漏電問(wèn)題，二是向上發(fā)展，晶片內構從水平變成垂直，也就是把2D的MOSFET 變?yōu)?3D 的 FinFET。

　　而這種做法有怎樣的效果呢?

　　臺積電就曾表示：16nm FinFET工藝能夠顯著(zhù)改進(jìn)芯片性能、功耗，并降低漏電率，柵極密度是臺積電28nm HPM工藝的兩倍，同等功耗下速度可以加快超過(guò)40%，同頻率下功耗則可以降低超過(guò)60%。

　　值得一提的是，被三星挖走的前臺積電員工梁孟松的博士論文指導教授就是胡正明，想必這也是三星能夠在14nm FinFET上實(shí)現大躍進(jìn)的原因之一吧。

　　相對于在晶體管上做文章的FinFET，SOI工藝則著(zhù)眼于晶片底襯。

　　SOI(Silicon-On-Insulator絕緣體上硅)是指絕緣層上的硅，是一種用于集成電路集成電路的供應商制造的新型原材料。SOI技術(shù)作為一種全介質(zhì)隔離技術(shù)，可以用來(lái)替代硅襯底。FD-SOI就是在襯底上做文章，在晶體管相同的情況下，采用FD-SOI技術(shù)可以實(shí)現在相同功耗下性能提高30%左右，或者在相同性能下，功耗降低30%左右。

　　根據格羅方德公布的數據：

　　22nm FD-SOI工藝功耗比28nmHKMG降低了70%;

　　芯片面積比28nmBulk縮小了20%;

　　光刻層比FinFET工藝減少接近50%;

　　芯片成本比16/14nm低了20%。

　　如果格羅方德發(fā)布的數據屬實(shí)，那么， 22nm FD-SOI擁有堪比14/16nm FinFET的性能和功耗，但芯片的成本卻與28nm相當 。而且格羅方德還表示：若是將制程提升到14nm， 相對于 28nm SOI的會(huì )有35%的性能提升，功耗也會(huì )降到原來(lái)的一半 。

　　另外，SOI還具有了較高的跨導、降低的寄生電容、減弱的短溝效應、較為陡直的亞閾斜率，與體硅電路相比，SOI電路的抗輻照強度提高了100倍。在高溫環(huán)境下，SOI器件性能明顯優(yōu)于體硅器件。

　　那么，為何FinFET會(huì )成為主流，即便是掌握了22nm FD-SOI工藝的格羅方德還是購買(mǎi)了三星的14nm FinFET技術(shù)授權呢?

　　原因就在于采用SOI工藝成本較高，而且現階段Intel和臺積電在硅襯底上能夠做出滿(mǎn)足要求的芯片，所以依舊使用硅襯底，臺積電市場(chǎng)份額巨大，而Intel有最好的技術(shù)，兩家選擇了FinFET，自然而然整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈就跟著(zhù)走，SOI工藝也就只能在射頻和傳感器市場(chǎng)找存在感了。

　　| 摩爾定律放緩是微電子所自主工藝的機會(huì )

　　由于技術(shù)和商業(yè)上的原因，摩爾定律也失去了效力，而且受制于光刻技術(shù)、硅材料的極限等因素，若要再進(jìn)一步提升芯片性能，將FinFET和SOI相結合的道路不失為解決之道——采用FinFET+SOI襯底來(lái)提升芯片性能，畢竟FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)顯然是優(yōu)于FinFET(晶體管)+硅襯底的。

　　而且由于商業(yè)上的原因，在制程大于28nm的情況下，隨著(zhù)芯片制程的提升，成本會(huì )逐漸降低，但是在芯片制程達到28nm以后，單個(gè)晶體管的成本卻不降反升。這使得X nm FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)的做法不僅在性能上不會(huì )遜色于Y nm FinFET(晶體管)+硅襯底(X>Y)，與在商業(yè)上也很可能是有一定優(yōu)勢的。而這也是兼容主流體硅FinFET工藝，通過(guò)體硅襯底形成介質(zhì)隔離的類(lèi)SOI器件(FOI FinFET)已經(jīng)成為重要的研究方向的原因。

　　而微電子所的新工藝就類(lèi)似于FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)的思路，根據微電子所官方介紹可以整理，新型FinFET器件工藝有以下特點(diǎn)：

　　一是針對FOI FinFET的固有缺陷， 采用基于低溫低阻NiPt硅化物的全金屬化源漏在介質(zhì)隔離上 可以有效消除常規體fin上的漏電影響，并大幅降低源漏寄生電阻。使實(shí)際物理柵長(cháng)為20nm的FOI FinFET的源漏接觸電阻和方塊電阻分別減小10倍和1.1倍，從而將N/P型FOI FinFET器件性能提高大約30倍，并且維持新結構的優(yōu)異短溝道抑制特性。

　　二是由NiPt全金屬源漏與Si界面的晶格失配在溝道中產(chǎn)生了附加張應力， 有效地增強了電子遷移率 ，為N型 FOI FinFET的溝道遷移率增強技術(shù)提供新的集成方案。

　　三是通過(guò)肖特基源漏(SBSD)技術(shù)使源漏寄生電阻進(jìn)一步降低，有效地 提升了P型 FOI FinFET器件驅動(dòng)性能(大于50%) 。研究結果表明，全金屬化源漏FOI FinFET相比類(lèi)似工藝的常規FinFET漏電降低1個(gè)數量級，驅動(dòng)電流增大2倍，驅動(dòng)性能在低電源電壓下達到國際先進(jìn)水平。由于替代了傳統的源漏SiGe外延技術(shù)，與極小pitch的大規模FinFET器件的兼容性更好，有助于降低制造成本，提高良品率，具有很高的技術(shù)價(jià)值。

　　也正是因此，微電子所的新型FinFET器件工藝能夠得到IBM、意法半導體等國際知名主流集成電路公司的青睞。

　　最后要說(shuō)的是，能否被商業(yè)化，技術(shù)指標是一方面，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也非常重要。如果國內研究所、企業(yè)能夠和IBM、意法半導體、格羅方德等公司組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同推廣這項工藝，也許能有所斬獲。