引入

真空管的發明是電子工業發展的重要動力。但是，在第二次世界大戰之後，由於需要大量的分立元件，設備的複雜性和功耗顯著增

已保存加，而設備的性能卻不斷下降，其中一個例子是波音B-29，由300~1000個真空管組成。每個附加組件會降低系統可靠性並增加故障排除時間。

1947年出現了一個重大突破，它來自於貝爾實驗室的John Baden，William Shockley和Watter Brattain，他們發明了鍺晶體管。1950年，Shockley開發了第一個雙極結晶體管（BJT）。與真空管相比，晶體管更可靠，功效高，尺寸更小。

1958年，德州儀器的傑克·基爾比（Jack Kilby）搭建了第一個集成電路，由兩個雙極晶體管組成，該晶體管連接在單片硅片上，從而啟動了“硅時代”。

早期IC使用雙極晶體管。由於有更多的靜態功耗，BJT的這一缺點是個老大難問題。這意味著即使在電路沒有打開的情況下也會產生電流。這限制了可以集成到單個硅芯片中的晶體管的數量。

1963年，飛兆半導體的Frank Wanlass和CTSah公佈了第一個邏輯門，其中n溝道和p溝道晶體管用於互補對稱電路配置。這就是今天所謂的CMOS。它的靜態功耗幾乎為零。

在接下來的幾年中，CMOS製程的改進使得電路速度不斷提高，芯片的封裝密度和性價比進一步改進。

下面，我們會討論Bulk-Si CMOS技術、SOI和FinFET，以及相關的解決方案。我們還討論晶體管材料的物理尺寸限制，以及高級技術節點中使用的新材料。

MOSFET概述

在這裡，我們首先討論CMOS的核心單元，即MOSFET或簡單MOS的基本結構和重要的術語。

1、MOS結構

根據通道類型，MOS主要分為兩種結構：n溝道和p溝道MOS。在這裡，我們將僅概述NMOS晶體管。

MOS晶體管是具有漏極、源極、柵極和襯底的4端子器件。圖1顯示了NMOS的3維結構。NMOS晶體管形成在p型硅襯底（也稱為本體）上。在器件的頂部中心部分，形成一個低電阻率的電極，它通過一個絕緣體與本體分開。通常，使用n型或p型重摻雜的多晶硅作為柵極材料。這裡，使用二氧化硅（SiO 2或簡單的氧化物）作為絕緣體。通過將供體雜質植入基板的兩側，形成源極和漏極。在圖1中，這些區域由n +表示，表示供體雜質的重摻雜。這種重摻雜導致這些區域的低電阻率。

如果兩個n +區被偏置在不同的電位，則處於較低電位的n +區將作為源，而另一個將作為漏極。因此，漏極和源極端子可以根據施加到它們的電位進行互換。源極和漏極之間的區域稱為具有寬度-W和長度-L的溝道，其在決定MOS晶體管的特性中起重要作用。

圖1. NMOS晶體管的結構

2、為何用多晶硅作為柵極材料？

在半導體工業的早期，金屬鋁通常被用作MOS的首選柵極材料。但是後來，多晶硅被選為柵極材料。這主要出於兩方面的考慮。

早期的MOS製造過程始於源和漏區域的定義和摻雜。然後，使用限定形成鋁金屬柵極的柵極氧化物區域的柵極掩模。

這種製造工藝的主要缺點之一是：如果柵極掩模未對準，則其產生寄生重疊輸入電容C gd和C gs，電容C gd因為反饋電容而更為有害。作為銑刀電容的結果，晶體管的切換速度降低。

選擇多晶硅的另一個原因是MOS晶體管的閾值電壓與柵極和溝道之間的功函數差異相關。此前，當工作電壓在3~5V範圍內時，使用金屬柵極。但是，隨著晶體管的縮小，這確保了器件的工作電壓也降低了。具有這種高閾值電壓的晶體管在這種條件下變得不可操作。使用金屬作為柵極材料導致與多晶硅相比更高的閾值電壓，因為多晶硅將具有與體Si溝道相同或相似的組成。此外，由於多晶硅是半導體，因此其功函數可以通過調整摻雜水平進行調製。

3、技術不斷演進

市場對電池供電的便攜式電子產品的需求日益增加，包括助聽器、手機、筆記本電腦等，這種應用的功耗更低，開發更便宜。對於這種便攜式設備，功率消耗是重要指標，因為電池提供的功率相當有限。不幸的是，電池技術不能期望每5年將電池存儲容量提高30％以上。這不足以應對便攜式設備中增加的功耗。

1965年，戈登·摩爾（Gordon E. Moore）預測，集成電路中的晶體管數量將會每兩年翻一番（廣為人知的摩爾定律）。通過使晶體管更小，可以在硅晶片上製造更多的電路，因此電路變得更便宜。通道長度的減小可以實現更快的開關操作，因為電流從漏極流到源極需要更少的時間。

對於長通道器件，通道四邊的“邊緣效應”真的可以忽略不計。對於長通道器件，電場線垂直於通道的表面。這些電場由柵極電壓和背柵極電壓控制。但是，對於短通道器件，漏極和源極結構更靠近通道，特別是當通道中的縱向電場進入時。縱向電場由漏源電壓控制。縱向電場平行於電流流動方向。如果通道長度不大於源極和漏極耗盡寬度的總和，則該器件稱為短溝道器件。

由於短通道中二維電勢分佈和高電場，會產生各種不良影響。

4、載波速度飽和度和移動性降級

通道中的電子漂移速度與較低電場值的電場成比例。這些漂移速度往往會在高電場飽和。這稱為速度飽和度。對於短通道器件，縱向電場通常也增加。在這樣的高電場下，發生影響MOSFET的I-V特性的速度飽和。對於相同的柵極電壓，MOSFET的飽和模式在較低的漏 - 源電壓值和飽和電流降低的情況下實現。

由於較高的垂直電場，通道的載流子離開氧化物界面。這導致載流子遷移率的降低和漏極電流的降低。

5、熱載體效應

對於較小的幾何器件，電場尤其會在漏極附近增加。結果，電子獲得了大量的被稱為熱載體的能量。

其中一些獲得足夠的能量，這導致在漏極附近碰撞電離，從而產生新的電子 - 空穴對，它會產生漏 - 體電流（I db）。少量的熱電子可以穿過氧化物並通過門收集。雖然一些熱載體甚至可能損壞氧化物導致器件劣化。

以上只列出兩種不良效應，還有其它一些就不在此贅述了。

6、如何應對短通道效應？

如果通道長度與耗盡區相比較小，則短通道效應變得不可容忍。這限制了柵極長度的進一步減小。為了限制這些效應，耗盡區寬度應該隨著通道長度的減小而減小。這可以通過增加溝道摻雜濃度或增加柵極電容來實現。

柵極電容決定了柵極對通道的控制。等式1表示可以通過縮小柵極氧化物厚度來增加柵極電容。具有較薄柵極氧化物的器件具有減小的耗盡寬度，因此改善了SCE特性。

C OX = E OX / T OX（方程-1）

這裡：C OX為柵極氧化物電容，E OX是氧化物電場，TOX是氧化層厚度。

對於過去25年英特爾的製程節點來說，為了限制SCE，氧化物已經按比例大致與通道長度成比例。英特爾技術節點的通道長度和氧化物厚度之間的關係如等式2所示。

L = 45 XT OX（方程-2）

這裡：L為通道長度，TOX為氧化層厚度。

傳統架構改良

1、高K電介質減少漏

SiO 2電介質的厚度應與其通道長度成正比。65nm節點需要約2.3nm的有效氧化物厚度（EOT）（實際1.6nm）。但是，如果氧化物厚度進一步降低到這一點以下，則載流子現象的直接隧穿將佔主導地位，柵極洩漏增加到不可接受的極限。因此，氧化物的厚度限制約為1.6nm，這是通過柵極至溝道隧道洩漏（也稱為量子力學隧道）設置的。

如果我們看等式1，唯一選擇是選擇具有高介電常數（K）的介電材料，以增加氧化物電容。由於可以使用更厚的電介質層，所以得到高的柵氧化物電容。較厚的層導致更少的載流子隧道。SiO 2的介電常數為3.9。

柵極氧化物在2007年實現了突破，鉿（HfO 2）基於高K電介質材料，首先由英特爾在其45nm大容量製造工藝中引入。鉿材料的介電常數約為25，比SiO 2高6倍。

EOT由等式3給出。等式3意味著6nm厚的HfO 2提供約1nm的EOT。

EOT =（3.9 XT OX）/ K（式-3）

這裡：EOT為有效氧化物厚度，Tox為氧化層厚度，K為材料的介電常數。

2、應變硅技術

納米尺度晶體管的關鍵縮放問題之一是由較大的垂直電場引起的遷移率劣化。有許多方法來增強晶體管的性能和移動性。一種方法是在通道中使用薄鍺膜，因為鍺具有較高的載流子遷移率。另一種方法是通過在通道中引入機械應變來使用應變硅。

應變硅技術涉及使用各種手段物理地拉伸或壓縮硅晶體，這進而增加載流子（電子/空穴）遷移率並增強晶體管的性能。例如，當通道被壓縮應力時，可以增加PMOS的空穴遷移率。

為了在硅溝道中產生壓縮應變，通過外延生長將源極和漏極區域填充Si-Ge膜。Si-Ge通常包含20％的鍺和80％的硅混合物。

Si和Ge原子的數量等於原始的Si原子。鍺原子大於硅原子。所以當一個力量被創建時，它會推動通道並提高空穴流動性。提高半導體的遷移率提高了驅動電流和晶體管速度。

MOS晶體管的應變硅技術在2003年首次用於90nm工藝技術。在該技術節點中，用於PMOS晶體管的Si-Ge源極漏極結構在通道中引起壓縮應變，將電流提高25％。雖然通過在晶體管周圍添加高應力Si 3 N 4覆蓋層來引入NMOS應變，但是將電流提高了10％。

3、金屬柵極應對多元消耗

在多晶硅和柵極氧化物的界面處形成耗盡區，隨著器件繼續縮小，該多晶硅耗盡變大，並且相當於氧化物厚度的較大部分將限制柵極氧化物電容。多元消耗的負面影響是由於反型層電荷密度的降低和器件性能的降低。因此，除了柵極氧化物厚度外，還需要將多晶硅的耗盡層厚度最小化。

消除多餘效應的一個解決方案是使用金屬柵極而不是多晶硅柵極。金屬柵極不僅消除了多元消耗效應，還能使用高K電介質。

英特爾首先將高K電介質和金屬柵極技術引入了45nm節點。不同的金屬用於NMOS和PMOS，因為NMOS和PMOS需要不同的功能。

4、創新結構

對於傳統的MOS結構，隨著溝道長度的縮小，柵極不能完全控制通道，這是不希望看到的。其影響之一是從漏極到源極引起更多的亞閾值洩漏，這從功耗角度來看不是很好。

在常規MOS中，柵極不能控制遠離其的洩漏路徑。可以使用允許將晶體管縮放超過常規MOS縮放極限的各種MOS結構來改進。

下面，我們將討論兩種新的MOS結構，即FinFET和SOI。採用這兩種結構的主要目標是最大限度地提高柵極至溝道的電容，並最大限度地減小漏極間溝道電容。

5、FinFET

前臺積電首席技術官和伯克利公司的前任教授胡正明及其團隊於1999年提出了FinFET的概念，並在2000年提出了UTB-SOI（FD SOI）。這兩種結構的主要結構都是薄體，因此柵極電容更接近整個通道，本體很薄，大約在10nm以下。所以沒有離柵極很遠的洩漏路徑。柵極可有效控制洩漏。

現代FinFET是三維結構，如圖2所示，也稱為三柵晶體管。FinFET可以在體硅或SOI晶片上實現。該FinFET結構由襯底上的硅體薄（垂直）翅片組成。該通道圍繞通道提供了良好的通道三面控制。這種結構稱為FinFET，因為它的Si體類似於魚的後鰭。

圖2. Fin-FET結構

在bulk-MOS（平面結構MOS）中，通道是水平的。在FinFET通道中，它是垂直的。所以對於FinFET，通道的高度（Fin）決定了器件的寬度。通道的完美寬度由等式4給出。

通道寬度= 2 X翅片高度+翅片寬度（公式-4）

FinFET技術提供了超過體CMOS的許多優點，例如給定晶體管佔空比的更高的驅動電流，更高的速度，更低的洩漏，更低的功耗，無隨機的摻雜劑波動，因此晶體管的移動性和尺寸更好，超過28nm。

在常規MOS中，摻雜被插入通道中，減少各種SCE並確保高V th。在FinFET中，柵極結構被纏繞在通道周圍並且主體是薄的，從而提供更好的SCE，因此通道摻雜是可選的。這意味著FinFET受摻雜劑誘導的變化的影響較小。低通道摻雜還確保通道內載體的更好的移動性。因此，性能更高。在這裡注意到的一點是，FinFET和SOI技術都將Body Thickness作為新的縮放參數。

6、絕緣體上硅（SOI）

傳統MOS結構和SOI MOS結構的主要區別在於：SOI器件具有掩埋氧化層，其將基體與襯底隔離。如圖3所示，SOI晶體管是一個平面結構。

SOI MOS的製造工藝與起始硅晶片之外的體MOS（傳統MOS）工藝相似。SOI晶片有三層：1. 硅的薄表面層（形成晶體管）；2.絕緣材料的下層；3.支撐或“處理”硅晶片。

掩埋氧化層的基本思想是減少寄生結電容。寄生電容越小，晶體管工作越快。由於BOX層，不存在遠離柵極的洩漏路徑，這會導致更低的功耗。

通常，SOI器件被分類為部分耗盡（PD）SOI和全耗盡（FD）SOI。與PD-SOI相比，FD-SOI具有非常薄的體結構，因此在運行期間完全耗盡。FD-SOI也稱為超薄體SOI。對於PD-SOI，本體為50nm~90nm厚。而對於FD-SOI來說，本體厚約5nm~20nm。

圖3 SOI FET的結構

7、SOI器件的優點：

由於氧化物層隔離，漏/源寄生電容減小。因此，與體CMOS相比，器件的延遲和動態功耗更低。
由於氧化物層，與體CMOS相比，閾值電壓較不依賴於背柵極偏置。這使得SOI器件更適合於低功率應用。
SOI器件的次閾值特性更好，漏電流較小。
SOI器件沒有閂鎖問題。

8、SOI器件的缺點：

PD-SOI器件的缺點之一是它們具有歷史效應。在PD-SOI中，隨著身體變厚，浮體是明顯的。因此，體電壓取決於器件的先前狀態。這種浮體電壓可以改變器件的閾值電壓。這可能導致兩個相同晶體管之間的顯著失配。
SOI器件的另一個問題是自熱。在SOI器件中，有源薄體在氧化硅上，這是絕熱材料。在操作期間，有源區域消耗的功率不能輕易消散。結果，薄體的溫度升高，這降低了器件的遷移率和電流。
FD-SOI的挑戰之一是製造薄體SOI晶片困難。

9、FinFET與SOI哪個更好？

由於SOI技術非常接近平面體硅技術，對Fab無需太多投資。因此，現有的bulk技術庫可以輕鬆地轉換為SOI庫。SOI對FinFET的另一個優點是具有良好的背柵極偏置選項。通過在BOX下面創建後門區域，可以控制V t。這使其適用於低功率應用。

SOI技術的主要限制是：晶片的成本高於體硅晶片，因為它非常難以控制整個晶圓上的錫硅膜。SOI推廣的另一個絆腳石是有限數量的SOI晶圓供應商。英特爾公司稱，SOI晶圓佔總工藝成本的10％左右。

與SOI相比，FinFET具有更高的驅動電流。此外，在FinFET中，應變技術可用於增加載流子遷移率。

FinFET的缺點之一是其複雜的製造工藝。英特爾公司稱，FinFET製造的成本比體硅增長2-3％。

英特爾於2012年在Ivy-Bridge處理器的22nm節點推出了Trigate FET。提供FinFET技術的其他代工廠是臺積電、Global Foundries和三星。2014年，臺積電發佈了其首款功能齊全的、基於ARM的16nm FinFET技術的網絡處理器。

意法半導體於2012年在28nm技術上發佈了其首款用於移動處理器的FD-SOI芯片。提供FD-SOI技術的廠商是IBM、Global Foundries和三星。另外，AMD的部分處理器，PowerPC微處理器和索尼的PlayStation也採用了SOI技術。

10、未來的技術走向

FinFET和SOI結構都具有更好的柵極控制和更低的閾值電壓，更少的漏電。但是，當我們轉向低於10nm節點的低技術節點時，再次出現漏電問題，這會導致許多其他問題，如閾值平坦化，功率密度增加和散熱。

FinFET結構在熱耗散方面效率較低，因為熱量很容易積聚在翅片上。這些問題可能導致一類新的設計規則 - Thermal Design，不像其他設計規則，如“可製造性設計”。隨著這些器件即將到來，eInfochips正在與Academia合作，提供潛在的解決方案，包括修改器件結構，用新材料替換現有的硅材料。其中，碳納米管（CNT）FET，具有複合半導體的柵極全能納米線FET或FinFET可能在未來的技術節點中被證明是有前景的解決方案。

此外，近些年，三星電子、臺積電在半導體工藝上一路狂奔，互不相讓，一直是行業關注的焦點。前些天，在美國舉行的三星工藝論壇SFF 2018 USA之上，三星更是宣佈將連續進軍5nm、4nm、3nm工藝，直逼物理極限！

根據三星的規劃，其4nm工藝仍會使用現有的FinFET製造技術，但到了3nm工藝節點，三星便開始拋棄 FinFET 技術，轉而採用GAA（Gate-All-Around）納米技術。

Gate-All-Around就是環繞柵極，相比於現在的FinFET Tri-Gate三柵極設計，將重新設計晶體管底層結構，克服當前技術的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。

三星的GAA技術叫做MBCFET(多橋通道場效應管)，正在使用納米層設備開發之中。

11、GaN等新工藝

未來，硅將繼續主宰半導體制造，然而，越來越多的設計師正在轉向替代半導體，材料和製造工藝價格變得越來越實惠。這些材料主要包括化合物半導體碳化硅（SiC），銦鎵磷化物（InGaP），磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）。其中，GaN已經開始帶來重大收益，特別是在那些速度快，頻率高，效率高，耐熱性強，高功耗的應用領域。

除了硅器件之外，採用新材料和製造工藝的電路已經實現突破，如用GaN製成的器件。這些材料已經創造出了一些有趣的新晶體管類型。

圖4： InGaP HBT的結構示出了GaAs襯底與集電極，基極和發射極層。所得晶體管在較低的微波頻率下具有高增益，且頻率低於20 GHz。

GaAs或GaN襯底可用於製造任何類型的晶體管，包括最受歡迎的雙極結晶體管（BJT）和增強型MOSFET。其他晶體管類型也已經出現，如異質結雙極性晶體管（HBT），MESFET，HEMT等。這些都利用基板材料的特點，產生了最佳的放大和功率處理能力。

HBT使用標準BJT配置，但使用不同基極和發射極材料。一個流行的組合是GaAs發射極和AlGaAs基極。結果是在微波頻率達到250 GHz時，會產生非常高的增益。圖4顯示出了InGaP HBT的複雜結構。這種組合可用於微波功率放大器。

MESFET或金屬外延半導體FET基本上是這樣的：具有用於形成肖特基結的金屬柵極的JFET

與主導通道。它提供耗盡模式，設備正常打開並被a關閉，施加負柵極電壓。MESFET通常由GaAs製成，在微波頻率下具有高增益。

MESFET的一個變種是高電子遷移率晶體管（HEMT），也稱為結構FET（HFET）或調製摻雜FET（MODFET）。它通常是用具有額外層的GaAs或GaN和肖特基結構成（圖5）。耗盡模式是最常見的配置。改進的性能版本是使用pHEMT額外的銦層進一步加速電子運動。這些

器件工作在30 GHz或更高的頻率。

圖5：這是GaN HEMT的基本結構。

襯底通常是藍寶石或碳化硅，也可以使用硅。 2DEG表示二維電子氣體，一層由電子製成的氣體可以在任何方向垂直移動。

最近，GaN已經被用於創建標準的正常關閉增強型MOSFET。這些設備可以使用高達幾百伏特的電壓，導通電阻非常低。這些GaN-on-Si器件瞄準的是開關模式電源應用。

氮化鎵晶體管在軍事系統中的應用已經有一段時間了，大概10年左右。在美國國防部（DoD）的倡議下，GaN已迅速發展成為最新的明星微波功率放大器用工藝。最初為開發爆炸裝置（IED），用於伊拉克戰爭，GaN已經出現在所有新的微波和毫米波電子產品中了，包括雷達，衛星，通信和電子戰（EW）系統。

使GaN如此令人印象深刻的是其高功率密度，而GaAs具有約1.5W / mm的基本功率密度，GaN具有的功率密度在5〜12W / mm。它還具有高電子遷移率，這意味著它可以很好的將信號放大到較高的GHz範圍內。典型的GaN晶體管fT為200 GHz。此外，它可以做到相對較高的擊穿電壓水平，達到了80V左右。

GaN器件通常製造在兩個不同的襯底上，硅上的GaN或碳化硅（SiC）上的GaN。這兩種類型，普遍的共識是功率較低器件使用較便宜的Si襯底。高功率設備具有更好的熱性能應使用SiC襯底晶圓。

GaN的缺點是成本很高。現在的成本隨著更多的供應商進入市場和使用量下降。這些材料是昂貴的，且製造的過程和設備的成本高昂。隨著數量的進一步增加，生產成本會下降，但仍然會保持在高於CMOS工藝成本的水平。

GaN技術的主要應用焦點是微波和毫米波功率放大器。單個放大器可以達到幾十瓦的功率水平。在其他並行/推拉/Doherty配置下，功率達到數百，甚至數千瓦特都是可能的，大多數應用是軍事相關的相控陣雷達模塊，衛星功率放大器，干擾器和其他電子戰（EW）設備。

過去，行波管（TWT）實現了高功率，今天仍然是一些應用的選擇。硅LDMOS FET出現後，提供了數百、上千瓦的功率水平。但是，這些器件不能在6 GHz以上的頻率使用。這個高功率的微波和毫米波段需求帶動了過去新型GaN晶體管的發展，只用了幾年時間就可以在30 GHz或更高的頻率上輕鬆提供數十到數百，甚至數千瓦的功率。

據預測，GaN放大器將開始取代一些TWT衛星和雷達放大器。對於功率轉換，GaN也有相當大的優勢。GaN晶體管開關是高電壓操作，因此是大功率dc-dc轉換器和其他開關模式電路的理想選擇。在一些應用中，GaN開關晶體管可以代替IGBT。GaN器件可以實現更小尺寸，更有效和耐熱的電路，這正是軍事應用所必需得。

GaN也適用於除功率以外的應用放大或轉換。可以使用GaN做不同類型的晶體管，如MESFET，HBT和pHEMT。這些可用於製造MMIC放大器。隨著這些新設備的改進，它們將會逐步取代硅，因為它們能夠在40 GHz的頻率上穩定工作。

GaN製造工藝在不斷進步，以降低成本，目前，GaAs繼續占主導地位，主要用於具有小信號MMIC，LNA以及低電平的手機和移動無線電的功率放大器。但是，隨著GaN成本的降低，以及GaN對小信號應用領域的滲透，砷化鎵很可能會失去不少市場，其他用硅（LDMOS），SiGe，SiC將繼續找到其獨特的利基適合應用。