FinFET

FinFET (Fin field-effect transistor, с англ. — «полевой транзистор с плавником»)^{[К 1]} — МОП-транзистор, расположенный на полупроводниковой подложке, в котором затвор расположен с трёх или четырёх сторон канала или обёрнут вокруг него. Может представлять собой однозатворную структуру, чаще всего используется многозатворная^[англ.]. FinFET с затвором, охватывающим канал с трёх сторон, иногда называется TriGate. Подобные транзисторы используются при производстве современных интегральных схем с проектными нормами меньше 22 нм.

FinFET
Схема FinFET с двумя канальными областями на боковых стенках плавника

Конструкция

Планарный МОП-транзистор

В обычном планарном МОП-транзисторе (англ. Planar FET) канал располагается горизонтально. Когда в канале полем затвора формируется обращённый слой, подложка вытягивает часть носителей канала в обеднённый слой. В результате возникают статические токи утечки. Чтобы избежать подобного, можно расположить транзисторы на непроводящем основании, как это делается в КНИ-структурах. Однако подобная технология является сложной и достаточно дорогой, а также имеет ограничения по минимальной длине канала из-за короткоканальных эффектов^{[англ.][1]}.

В FinFET канал располагается не горизонтально, а вертикально, напоминая плавник (англ. Fin), и окружается с трёх сторон затвором. Площадь контакта канала с подложкой минимальна, что значительно сокращает статические токи утечки. Кроме того, подобная компоновка позволяет сократить площадь, занимаемую транзистором, поскольку канал достаточно узок в проекции. Например, ширина «плавника» FinFET фирмы Intel, изготовленного по проектной норме 14 нм, составляет 8 нм^[1].

Чтобы увеличить протекающий ток и уменьшить сопротивление канала, увеличив быстродействие, в FinFET используют несколько параллельно расположенными «плавниками». В результате он представляет собой многозатворную структуру^[англ.]. Кроме того, для улучшения характеристик транзистора, в качестве материала канала используют не кремний, который выступает только в качестве конструкционного материала для подложки, а выращенный SiGe, в котором носители заряда обладают большей подвижностью^[1].

Однако одна из частей канала у FinFET всё равно контактирует с подложкой, поэтому всё равно возникают статические токи утечки. Чтобы избежать этого, в 2003 году была разработана GAAFET (Gate-All-Around FET, с англ. — «полевой транзистор, окружённый затвором со всех сторон»), в которой область канала превратилась в тонкую нанопроволоку, окружённую затвором с 4 сторон. Однако при этом в канале остаётся мало места для потока электронов, что ограничивает максимальный ток и замедляет скорость переключения транзистора. Для устранения этого недостатка была разработана структура NSFET (Nanosheet FET, с англ. — «нанолистовой полевой транзистор»)^[1][2][3][4]. Фирма Samsung, которая начала использовать эту структуру в своих микросхемах, зарегистрировала для неё торговую марку MBCFET (Multi-Bridge Channel FET, с англ. — «полевой транзистор с многошлюзовым каналом»), в которой вместо нанопроволоки для канала использовалась стопка тонких листов кремния^[5]. Фирма Intel для своего варианта структуры использует название RibbonFET^[6].

История разработки FinFET

Варианты реализации многозатворных транзисторов

В 1967 году Г. Р. Фарра, работавший в Bendix Corporation^[англ.], и Р. Ф. Стейнберг предложили концепцию двухзатворного тонкоплёночного транзистора^[7]. В 1980 году Тосихиро Сэкигава из Электротехнической лаборатории^[англ.] (ETL) запатентовал двухзатворный МДП транзистор^[8], а в 1984 году совместно с Ютакой Хаяси изготовил его в ETL. При этом было продемонстрировано, что можно значительно уменьшить короткоканальные эффекты, если «зажать» полностью обеднённый КНИ-транзистор между двумя соединёнными между собой затворами^[9][10].

Первый транзистор, который можно отнести к FinFET, был получен был создан в 1989 году в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi (Япония) группой в составе Дига Ясамото, Тору Кага, Ёсифуми Кавамото и Эйдзи Такеда. Он получил название «транзистор с обеднённым узким каналом» (англ. depleted lean-channel transistor, DELTA)^[9][11][12]. В 1996 году индонезийский инженер Эффенди Леобандунг, работавший в Миннесотском университете, сделал совместно со Стивеном Чоу доклад на 54-й Конференции по исследованию устройств, в котором описал преимущества разделения широкого канала КМОП-транзистора на множество узких каналов, что должно было улучшить масштабируемость и увеличить ток за счёт эффективного увеличения ширины устройства^[13]. Подобная структура являлась прототипом современных FinFET. Отмечалось, что хотя из-за нарезки канала теряется часть его ширины, проводимость боковых стенок узких «плавников» при достаточной высоте более чем компенсирует эти потери^[14][15]. Представленное устройство имело ширину канала в 35 нм и длину 70 нм^[13].

Различные варианты реализации FinFET

Потенциал исследований транзисторов DELTA группой Дига Ясамото привлёк внимание Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), которое в 1997 году заключило контракт с исследовательской группой Калифорнийского университета в Беркли на разработку субмикронных транзисторов на основе технологии DELTA^[16]. Её возглавили Ясамото и Ченминг Ху^[англ.] из TSMC. В итоге с 1998 по 2004 годы эта команда добилась следующих результатов^[17]:

• 1998 год: создан n-канальный FinFET (17 нм)^[18];
• 1999 год: создан p-канальный FinFET (менее 50 нм)^[19];
• 2001 год: создан 15 нм FinFET^[20];
• 2002 год: создан 10 нм FinFET^[21];
• 2004 год: создан FinFET с высокопроницаемым подзатворным диэлектриком^[англ.] и металлическим затвором^[англ.].

Сам термин «FinFET» впервые был введён в научной статье, опубликованной в декабре 2000 года^[22], где описывался непланарный транзистор с двойным затвором, созданного на КНИ-подложке^[23].

В 2006 году группа корейских учёных из Корейского института передовых технологий (KAIST) и Национального центра нанотехнологий разработала транзистор с проектной нормой 3 нм — самое маленькое на тот момент микроэлектронное устройство, основанное на технологии FinFET круглым каналом (GAAFET)^[24][25]. А в 2011 году исследователи из Университета Райса Масуд Ростами и Картик Моханрам показали, что FinFET может иметь два электрически независимых затвора, что может дать разработчикам схем больше гибкости для создания эффективных транзисторов с низким энергопотреблением^[26].

В 2020 году Ченминг Ху получил Медаль почёта IEEE за разработку FinFET, который, по оценке Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), перевёл транзисторы в третье измерение и продлил действие закона Мура^[27].

Коммерческий выпуск интегральных схем на FinFET

Первый в отрасли FinFET с проектной нормой 25 нм был продемонстрирован в декабре 2002 года компанией TSMC. Он был назван «Omega FinFET» из-за сходства формы затвора транзистора, охватывающего канал, с греческой буквой Ω^[28].

В 2004 году фирма Samsung представила конструкцию «Bulk FinFET», которая сделала возможным массовое производство интегральных схем на подобных транзисторах. Первым таким устройством стал модуль динамической оперативной памяти (DRAM), содержащий FinFET с технологической нормой 90 нм^[17].

В 2011 году компания Intel представила транзисторы с тремя затворами (TriGate), где затвор окружает канал с трёх сторон. Это позволило повысить энергоэффективность и снизить задержку, увеличив производительность по сравнению с планарными транзисторами^[29][30][31]. В этом же году был анонсирован микропроцессор Intel с микроархитектурой Ivy Bridge на трёхзатворных транзисторах с проектной нормой 22 нм^[32]. Их коммерческий выпуск начался в 2012 году. Вскоре и другие крупнейшие производители интегральных схем (TSMC, Samsung, GlobalFoundries) начали использовать FinFET с проектными нормами 14 или 16 нм. В 2013 году SK Hynix запустила коммерческое массовое производство интегральных микросхем c FinFET с проектной нормой 16 нм^[33], TSMS — тоже 16 нм^[34], а Samsung — 10 нм^[35].