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FinFET发明人给FinFET和FD SOI加了个叫SegFET的拐杖

Ruby Gao?? 2016年04月27日 ?? 收藏0
说到FD SOI,总能想起芯原公司CEO戴伟民博士对FD-SOI上的那层薄膜的经典比喻:“这层膜的平坦度,相当于飞去纽约的飞机一路上下颠簸不超过15mm。”虽然现在已经完全不需要担心这层膜的问题,去年三家基底厂商包括Soitec、SunEdison与 Shin-Etsu Handotai都已经可以稳定供货。但是这项技术总归来的晚了点,Intel已经在FinFET这条路上走了这么远,导致FD SOI的应用滞后于FinFET一大截。

随着物联网(IoT)和汽车市场的发展,对于低功耗/低成本的需求下,FD-SOI工艺技术正从原本的“迟到”位置摇身一变,成为了在物联网(IoT)与汽车市场取代FinFET的理想替代方案。对于FD SOI的现状,看下面这张图就能一目了然。

FinFET发明人给FinFET和FD SOI加了个叫SegFET的拐杖

对于目前的应用来说,FD SOI和FinFET仿佛不是竞争关系,他们更像是互补,就像戴伟民博士所说的,我们可以“两条腿走路”。但是我们不得不承认FD SOI和FinFET各自都有缺点,针对这些缺点,美国加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系主任、TSMC杰出讲座教授、FinFET共同发明人Tsu-Jae King Liu教授带来了一项新的工艺技术:SegFET,那么SegFET能否成为一个拐杖,让FD SOI和FinFET这两条腿走的更稳呢?

在FinFET中,电流主要是沿着“鳍”的边沿流动,因此沟道的有效宽度会随着“鳍”高度的增加而增加。但是,瘦高型“鳍”的制造面临着重大的挑战,尤其是在体硅衬底中。因此,为了使导通状态电流增大,FinFET需要多栅并联。

FinFET的另一个缺点是,它不能直接在一块芯片上实现多个阈值电压(同时用于高性能与低功率模块),因为改变阈值需要相对高的衬底掺杂,但这不仅会降低电荷迁移率,还会导致阈值电压产生不希望的随机变化。FinFET阈值电压很敏感,易受工艺引起的鳍宽度变化影响,很难在制造上获得高良率。另外,FinFET本身有很大的寄生电容和电阻,导致截止频率比体硅晶体管低。这个缺点在FinFET栅长持续缩小时更明显。

针对FinFET的这些缺点,Tsu-Jae King Liu教授提出了一种多栅格quasi-planar bulk MOSFET,它的绝缘氧化层非常浅,源漏区是连接的,不需要相互分开。即只有沟道区(和靠近沟道的浅源漏扩展区)是隔离的,通过非常浅的绝缘氧化层边缘电场以提供更好的门栅控制。称这种晶体管结构为沟道分开的MOSFET,简称“SegFET” 。

FinFET发明人给FinFET和FD SOI加了个叫SegFET的拐杖

SegFET可以用常规的CMOS制造工艺生产,以带有相同宽度栅格的波纹半导体表面为基片,用非常浅的绝缘氧化层填充其间隙。

FinFET发明人给FinFET和FD SOI加了个叫SegFET的拐杖

SegFET另一个优点在于,它有助于在沟道区引进先进的半导体材料来获得更高的电荷迁移率,在高速(低阈值电压)应用上有显著优势。与FinFET相比,除了更低的寄生电阻和电容能获得更高增益和截止频率,SegFET还可以通过衬底偏置动态调整阈值电压。因此,SegFET在数字和模拟/射频电路上的优势使它在未来低成本的系统级芯片应用上有广阔的前景。

目前国际半导体技术路线协会(ITRS)认为薄衬底型晶体管是把尺寸减到10nm或更小的唯一方案。但是,Tsu-Jae King Liu教授认为SegFET提供了另外一条拓宽半导体产业技术路线的可行之路。

FinFET发明人给FinFET和FD SOI加了个叫SegFET的拐杖

如路线图所示(图中红色数字部分表示目前还没有实际制造方案):

? SegFET 改善了晶体管栅极控制,因此现有栅极绝缘层形成技术可以再延后4年;

? SegFET不需要比栅长更小的stripe,因此现有fin/stripe形成技术可以再延后7年;

? SegFET不需要极薄的源/漏端以抑制势垒降低效应,因此现有结形成技术可以再延后8年。

因此,Tsu-Jae King Liu教授认为SegFET为CMOS技术的可持续发展提供了一条低成本路线。

最后,无论是戴伟民博士说的为中国晶圆厂提供弯道超车机会的FD-SOI,还是Tsu-Jae King Liu教授提出的为中国半导体厂商成为有竞争力的世界领先半导体制造商的可能路径的SegFET,一项新工艺提出的时机总是很重要,而半导体公司在选择这些会推动颠覆的新工艺时,也必须要权衡好新技术的未来发展等,因为这些都会极大地影响到公司未来的发展。

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物联网? CMOS? 芯片?

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