半导体FinFET工艺技术详解

FinFET，全称Fin Field-Effect Transistor，中文名为鳍式场效应晶体管，是一种新型的互补式金氧半导体晶体管。其命名源于晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

一、FinFET的发展概况

随着集成电路制造工艺技术的特征尺寸按比例缩小到22nm时，短沟道效应愈发严重。传统平面型晶体管结构在改善短沟道效应方面遇到了瓶颈，如提高沟道的掺杂浓度、降低源漏结深和缩小栅氧化层厚度等技术已难以进一步发挥作用。此时，器件亚阈值电流成为妨碍工艺进一步发展的主要因素。尽管提高器件沟道掺杂浓度可以在一定程度上抑制短沟道效应，但高掺杂的沟道会增大库伦散射，导致载流子迁移率下降，器件速度降低，这与工艺发展的目标相背离。

为了克服这一难题，研究者们开始探索新的晶体管结构。1989年，Hitachi公司的工程师Hisamoto提出了一种全耗尽的侧向沟道晶体管，即DELTA晶体管，其结构与后来的三栅FinFET十分相似。同时，研究者还提出了双栅MOSFET结构，以降低短沟道效应。这种结构比FD-SOI更有效地抑制短沟道效应，且在尺寸按比例缩小方面具有较大潜力。然而，由于双栅MOSFET制作过程过于复杂，难以与现有的硅平面工艺兼容，因此并未在实际工艺技术中普及应用。

1998年，美国国防部高级研究项目局（DARPA）资助胡正明教授在加州大学研究CMOS工艺技术如何拓展到25nm领域。胡正明教授在3维结构的MOS晶体管与双栅MOSFET结构的基础上，进一步提出了自对准的双栅MOSFET结构，即FinFET晶体管。同年，胡正明教授及其团队成员成功制造出第一个n型FinFET和p型FinFET。2000年，胡正明教授及其团队发表了FinFET和UTB-SOI的技术文章，并凭借FinFET获得美国国防部高级研究项目局最杰出技术成就奖。

二、FinFET工艺技术

FinFET的工艺技术与平面型MOSFET的工艺技术是不兼容的。FinFET前段工艺制程采用了立体结构，同时包括HKMG技术和应变硅技术，后段依然是大马士革结构的铜制程。

FinFET工艺的难点在于形成Fin的形状。Fin的尺寸是最小栅长的0.67倍左右，对于22nm的工艺技术，Fin的宽度为14.67nm，远小于最精密浸入式光刻机所能制造的最小尺寸。因此，Fin的有源区并非通过光刻形成，而是通过SADP（Self-Aligned Double Patterning）工艺技术形成。该工艺只需要一次光刻步骤，然后通过类似栅极侧墙的辅助工艺制造出Fin的形状。

SADP工艺流程如下：首先淀积一层辅助层（多晶硅或Si3N4），然后通过一道光刻和刻蚀形成一个类似栅极的结构（心轴）。再淀积一层氧化硅作为硬掩膜版，通过控制氧化硅的厚度可以控制Fin的宽度。利用干法刻蚀形成类似栅极侧墙的形状，去除辅助层后，剩下的形状就是形成超薄的Fin的硬掩膜版。再利用干法刻蚀形成超薄的Fin。

此外，FinFET工艺制程技术还采用外延生长技术嵌入SiGe和SiC应变材料，并进行源和漏掺杂。同时使源和漏有源区凸起，增加有源区的厚度和表面积，从而可以形成更厚的Salicide，减小22nm工艺制程技术的源和漏的接触电阻。应变技术可以提高器件的速度，改善FinFET的性能。

FinFET沿栅方向的剖面图显示，无论是NMOS还是PMOS，都是通过多条很薄的指状的Fin有源区并联的方式增大器件的宽度，从而增大FinFET的驱动能力。

以下是FinFET工艺技术流程图的简要描述（仅包括前段工艺流程）：

综上所述，FinFET工艺技术是一种先进的半导体工艺技术，通过采用立体结构和多种先进技术，有效克服了传统平面型晶体管在缩小特征尺寸时遇到的短沟道效应等难题。FinFET工艺技术具有广阔的应用前景，对于推动半导体产业的发展具有重要意义。