FinFET-транзисторы

FinFET-транзисторы появились при переходе на 22нм технологию. Они позволяют намного эффективней управлять проводимостью канала полевого транзистора. Кроме того, в FinFET-транзисторах появилась возможность в качестве канала транзистора использовать вместо кремния сплав SiGe. Упрощённая конструкция обычного МОП-транзистора с индуцированным каналом приведена на рисунке 1

Рисунок 1. Упрощённая конструкция обычного полевого МДП-транзистора с индуцированным каналом

Переход от МОП-транзисторов к МДП-транзисторам произошёл приблизительно в 2007 году при освоении 45 нм проектных норм. При таких размерах транзисторов приходится уменьшать толщину изолирующего слоя между затвором и каналом полевого транзистора до 1.2 нм. Это приводит к увеличению тока утечки из-за туннельного эффекта до неприемлемой величины.

Уменьшить ток утечки можно только при увеличении толщины диэлектрика, однако это приведет к уменьшению емкости затвора, и уменьшению заряда в объеме канала полевого транзистора, которым управляется ток его стока. Увеличить емкость затвора можно, увеличив диэлектрическую проницаемость диэлектрика ε. В качестве таких диэлектриков подходят силикат гафния HfSiO₄, силикат циркония ZrSiO₄, диоксид гафния HfO₂ и диоксид циркония ZrO₂. Наибольшее распространение в производстве полевых транзисторов в качестве диэлектрика с высокой проницаемостью получил оксид гафния HfO₂.

Дальнейшее уменьшение проектных норм производства интегральных микросхем до 22 нм привело к необходимости поднять канал полевого транзистора над подложкой. Такую конструкцию называют "плавник" (Fin). Это решение позволило управлять током, протекающим от истока к стоку по каналу полевого транзистора с трёх сторон, что увеличило эффективность управления проводимостью канала. Упрощённая конструкция FinFET-транзистора приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Упрощённая конструкция FinFET-транзистора

Дополнительного улучшения характеристик транзисторов удалось достигнуть, изменив полупроводниковый материал канала транзистора. Подложка микросхемы, изготовленная из кремния Si, теперь выступает только в качестве конструкционного материала, на котором выращивается кристалл GeSi, в котором носители заряда обладают большей подвижностью.

Для увеличения тока, протекающего через транзистор, и уменьшения сопротивления канала в транзисторе часто применяется несколько "плавников". Упрощённая конструкция трёхзатворного FinFET-транзистора приведена на рисунке 3

Рисунок 3. Упрощённая конструкция трёхзатворного FinFET-транзистора

Макрофотография участка поверхности кристалла процессора фирмы INTEL, на котором видны FinFET-транзисторы приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Макрофотография FinFET-транзисторов Intel: gates – затворы, fins – каналы

Процесс производства современных видов полевых транзисторов и этапы их развития очень хорошо показаны в следующем видео:

Видео 1. Процесс производства современных полевых транзисторов (англ.)

Малые размеры экрана сделаны, чтобы видео было доступно на смартфонах. Размер видео всегда можно увеличить управляющими кнопками.

Итог:

• Уменьшение проектных норм интегральных микросхем приводит к переходу от МОП-транзисторов к МДП-транзисторам;
• Начиная от проектных норм 22 нм происходит переход от двухмерных транзисторов к трехмерным FinFET-транзисторам.

Дата последнего обновления файла 2.08.2021

1. Колосницын Б. С. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие: в 2 ч. Ч. 1: Расчёт и проектирование биполярных транзисторов. — Минск: БГУИР, 2011. — 68 с.
2. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.
3. Колосницын Б. С. Гранько  С. В. Электронные приборы на основе полупроводниковых соединений. Учебно-методическое пособие: — Минск: БГУИР, 2017. — 94 с.
4. МОП-структура. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Изобретение_транзистора
5. SiC: микроэлектроника — это не только кремний. Материал сайта https://habr.com/
6. 22-нм технология FinFET от Intel: официальные и неофициальные подробности. Материал сайта Время электроники https://russianelectronics.ru/
7. Presentation: Intel Announces New 22nm 3D Tri-gate Transistors. Материал сайта https://intel.com/
8. Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology от Intel May, 2011: Материал сайта https://intel.com/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.