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【大象讲堂14】最先进的集成电路长什么样子?

【大象讲堂14】最先进的集成电路长什么样子?

大象韩  2020-04-19 13:49

集成电路顾名思义就是把很多电路集成在一起,晶圆越大,特征尺寸越小,不仅能集成更多更复杂的电路,而且可以降低功耗,加快相应速度。

目前最先进的集成电路工艺是12英寸晶圆上制造的5~7纳米的鳍式晶体管(FinFET,Fin Field-effect transistor)集成电路,手机电脑很多用到了它们。

那么,鳍式场效应晶体管到底长什么样子的,它跟我们常见的平面型场效应晶体管集成电路有什么区别呢?下面我们做一点简单介绍。

所谓的鳍式场效应晶体管,最初是加州大学伯克利分校胡正明教授1999年发明的,是一种立体的场效应管。 当晶体管的尺寸小于25纳米以下,传统的平面场效应管的尺寸已经无法缩小。FinFET的主要思想是将场效应管立体化。它与传统平面型工艺的对比示意图如下。


经典平面工艺与鳍式工艺比较示意图

在平面工艺中,硅片是平整的,栅极(G)和源极(S)漏极(D)基本处于一个平面。但鳍式工艺的晶圆,要首先做出很多整齐划一同一方向的“鱼鳍”一样的沟槽来,晶圆是坑洼不平的。

如果从鳍片方向剖开,晶体管的结构似乎与平面工艺结构差不多,如上图中间两个图所示。但是侧面看,就会发现鳍式晶体管电路都在鳍片上,如图中箭头方向看去,就看会发现鳍式晶体管相当于把平面晶体管折叠起来放置,因此可以节约空间。

平面工艺栅如红色区域所示,宽度长度都很好标识。而鳍式工艺的栅是弯曲覆盖在鳍上的,栅对下面的沟道处于半包围状态,宽度计算要考虑三个方向。不过由于栅包围沟道更多,可以降低漏电流及提高栅控制的灵敏度。

当然,鳍式晶体管也不是没有缺点。它的结构都集中在很薄的鳍片上,因此导通大电流及导热能力会有所下降。下图是我们用电脑模拟的一个鳍式结构示意图。


鳍式晶体管结构示意图


FinFET的鳍

司空见惯的鱼鳍形状被用到最先进的集成电路上了,看来科技与生活密不可分。(大象讲堂14)
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