下一代晶体管技术何去何从

大量的金钱和精力都花在探索FinFET工艺,它会持续多久和为什么要替代他们？

在近期内，从先进的芯片工艺路线图中看已经相当清楚。芯片会基于今天的FinFET工艺技术或者另一种FD SOI工艺的平面技术，有望可缩小到10nm节点。但是到7nm及以下时,目前的CMOS工艺路线图已经不十分清晰。

半导体业已经探索了一些下一代晶体管技术的候选者。例如在7nm时，采用高迁移率的FinFET，及用III-V族元素作沟道材料来提高电荷的迁移率。然后，到5nm时，可能会有两种技术,其中一种是环栅FET,和另一种是隧道FET（TFET）,它们在比较中有微弱的优势。原因都是因为最终CMOS器件的静电问题，一种是在沟道的四周围绕着栅极的结构。相比之下，TFETs是依赖陡峭的亚阈值斜率晶体管来降低功耗。

这场竞赛还远未结束。显然在芯片制造商之间可能已经达成以下共识：下一代器件的结构选择,包括III-V族的FinFET；环栅的FinFET；量子阱；硅纳米线；SOI FinFET和TFET等。

未来仍有很长的路要走。除此之外，还有另一条路可能采用一种垂直的芯片架构,如2.5D/3D堆叠芯片以及单片3DIC。

总之，英特尔，台积电和一些其他公司,它们均认为环栅技术可能会略占上风。Intel的Mayberry说,英特尔也正在研究它，这可能是能被每个人都能接受的工艺路线图。

芯片制造商可能需要开发一种以上的架构类型，因为没有一种单一的技术可为未来的应用是个理想的选择。Intel公司副总裁,元件技术和制造部主任Michael Mayberry说。这不可能是一个单一的答案，有许多不同的答案,将针对不同的细分市场。”

英特尔同样也对TFET技术表示出浓厚的兴趣,尽管其他人有不同的意见。最终的赢家和输家将取决于成本，可制造性和功能性。Mayberry说,例如，最为看好的是晶体管的栅极四周被碳纳米线包围起来,但是我们不知道怎样去实现它。所以这可能不是一个最佳的选择方案,它必须要能进行量产。

另一个问题是产业能否保持仍是每两年的工艺技术节点的节奏。随着越来越多的经济因素开始发挥作用，相信未来半导体业移动到下一代工艺节点的时间会减缓，甚至可能会不按70%%的比例缩小,而延伸下一代的工艺节点。

延伸FinFET工艺

在2014年英特尔预计将推出基于14nm工艺的第二代FinFET技术。同样在今年，格罗方德,台积电和三星也分别有计划推出他们的14nm级的第一代FinFET技术。

intel公司也正分别开发10nm的FinFET技术，然而现在的问题是产业如何延伸FinFET工艺？对于FinFET技术，IMEC的工艺技术高级副总裁,An Steegen说,在10nm到7nm节点时栅极已经丧失沟道的控制能力。Steegen说,理想的方案是我们可以把一个单一的FinFET最大限度地降到宽度为5nm和栅极长度为10nm。

所以到7nm时，业界必须考虑一种新的技术选择。根据不同产品的路线图及行业高管的见解，主要方法是采用高迁移率或者III-V族的FinFET结构。应用材料公司蚀刻技术部的副总裁Bradley Howard说,从目前的态势,在7nm节点时III-V族沟道材料可能会插入。

在今天的硅基的FinFET结构中在7nm时电子迁移率会退化。由于锗（Ge）和III-V元素材料具有较高的电子传输能力，允许更快的开关速度。据专家说,第一个III-V族的FinFET结构可能由在pFET中的Ge组成。然后，下一代的III-V族的FinFET可能由锗构成pFET或者铟镓砷化物（InGaAs）组成NFET。

高迁移率的FinFET也面临一些挑战，包括需要具有集成不同的材料和结构的能力。为了帮助解决部分问题，行业正在开发一种硅鳍的替换工艺。这取决于你的目标，但是III-V族的FinFET将最有可能用来替代鳍的技术，Howard说。基本上，你做的是替代鳍。你要把硅鳍的周围用氧化物包围起来。这样基本上是把硅空出来用III-V族元素来替代。

什么是环栅结构

在7nm以下，FinFET的结构变得有点冒险Howard说。未来有潜力的器件中会采用环栅结构,使我们有可能在7nm以下节点时再延伸几代。

然后，到5nm时，产业可能延伸采用高迁移率的FinFET。另一种选择是建立一个量子阱的FinFET器件。但是在许多场合可能是下一代的III-V族的FinFET。Howard说在量子阱的FinFET中，组成器件的一个阱把载流子限制在内。从学术的角度来看量子阱是十分有趣的。

根据IBM的说法,由于在FinFET中鳍的宽度才5nm，沟道宽度的变化可能会导致不良的VT的变化和迁移率损失。一个有前途的选择，采用环栅的FET可以规避此问题。环栅FET是一种多栅的结构，其中栅极是放置在一个沟道的四周。基本上是一个硅纳米线被栅极包围 。这就是你的晶体管,它看起来不同，但实际上仍是有一个源，一个漏和一个栅极。

格罗方德的高级技术会员 An Chen说 采用环栅结构有一些优点和缺点,但是我认为很有前途。虽然栅极的四周有更好的静电场，但是也有一些制造工艺的问题。

环栅FET工艺制造困难,以及昂贵。它的复杂性有一例，IBM最近描述了一个用硅纳米线环栅的MOSFET，它实现了约30nm的纳米线间距和缩小的栅极间距为60nm。这个器件有一个有效的12.8nm纳米线。

在IBM的环栅极制造工艺中，两个landing pads(着陆垫)形成于基板。纳米线的形成和水平方向悬浮在着陆垫上。然后，图案化的垂直栅极在悬浮的纳米线上。这样的工艺使多个栅极构成在共同的悬浮区上。

根据IBM说,形成间隔后,然后在栅极的以外区域切断硅纳米线,再在间隔的边缘在原位进行掺杂的硅外延生长,在间隔边缘的硅纳米线其横截面就显出来。最后用传统的自对准镍基硅化物作接触和铜互连完成器件的制作。

环栅结构也有其他的作法。例如，新加坡国立大学，Soitec和法国LETI最近描述一个Ge的环栅纳米线pFET。宽度为3.5nm纳米线，该器件还与相变材料Ge2Sb2Te5（GST）集成一体，作为一个线性的stressor，从而提高它的迁移率。

与此同时，英特尔正在作不同的环栅结构。Intel的Mayberry说,直径约6nm,我们可以做得更小些。它是由许多不同的材料作成，采用原子层精密生长在一个3D空间中。所以相当困难进行量产。这是一个尚未解决的问题，我们正在研究。

其它的选择

环栅结构不是唯一的选择。我们的工作还表明，量子阱的FinFET也有相当的静电的优势。IMEC的逻辑程序经理AaronThean说。实际上，量子阱是一种绝缘的概念,量子阱可被用来防止泄漏。

最近，IMEC，格罗方德和三星演示了一种量子阱的FinFET。它们采用鳍的替换工艺，引变材料Ge基沟道PFET。你可以作一个量子阱器件用III-V族,也可以不用锗,甚至不用硅及硅锗。

量子阱器件的另一种形式是采用FDSOI工艺，其中硅作为一个阱及氧化物作为阻挡层。IBM的顾问 Ali Khakifirooz说,我的观点是在7nm时仍然可在SOI上用内置形变方式形成一个Si和SiGe FinFET。

IBM也正在进行的另一种技术，称为“积极缩小的应变硅直接在绝缘体上（SSDOI）的FinFET。在这项技术中，硅片有一个键合氧化物的应变硅层。FDSOI技术据猜测可能比体硅更容易加工制造，但是衬底是更昂贵和基础设施条件还不够成熟。

事实上，每一种下一代晶体管的候选者都需有不同的平衡，作出选择是困难与复杂的。IBM的Ali Khakifirooz认为我个人对III-V族作为MOSFET沟道中硅的替代材料表示极大关注。相比FinFET环栅的四周有更好的静电场。环栅极可以扩展到更短的LG沟道长度，但也有一些挑战。例如，如果环栅极是用本体硅衬底，它需要一些技巧用来隔离栅与基板,而没有电容的惩罚。

还有其他的，也许更重要的,但是要仔细权衡。事实上，许多人都在作环栅工艺。无论我们看到它在7nm或5nm生产是另外的事。你或许需要，或需并不要环栅极。我们需要对于这个问题的回答首先来自电路设计人员,然后才是技术专家。（莫大康编译）