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台积电FinFET与三星GAA专利解密-万果科技
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台积电FinFET与三星GAA专利解密

简要 : 众所周知,台积电和三星是半导体领域的两大“霸主”,他们在整个...2020-05-06 15:43:10

众所周知,台积电和三星是半导体领域的两大“霸主”,他们在整个半导体行业都有着举足轻重的分量,甚至每一次的技术革新,都会牵动着业内的发展方向。而随着摩尔定律进入3nm工艺节点之后,两家公司却选择了不同的3nm工艺架构,其中台积电选择在3nm中继续沿用FinFET架构。

“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍”,这就是著名的摩尔定律。如果要增加集成电路上晶体管的数目,最有效的方法就是减小晶体管的尺寸,我们就拿常见的MOS晶体管来举例。

半导体产业面对的挑战是虽然在锗和Ill-V化合物半导体上形成的MOS晶体管具有高驱动电流,但是这些MOS晶体管的泄露电流也高。当漏电达到一定程度的时候,就相当于晶体管一直处于开启状态,这些漏电流会全部转换成发热量,因此漏电变大会直接导致 CPU 发热量上升。而这部分的问题主要是由于锗和III-V化合物半导体的低带隙和高介电常数而造成的。

表示了一些半导体材料的带隙和介电常数的比较。可以看到锗和一些常用的III-V化合物半导体的带隙很小。因此,各MOS晶体管在它们的栅和源/漏区之间将产生带-带泄露电流。这些材料的高介电常数进一步恶化了泄露电流。进而就导致这些MOS晶体管的开关电流比(Ion/Ioff)也相对较低。

为此,台积电早在2009年就申请了一项名为“具有改进的开关电流比的高迁移率多面栅晶体管”的发明专利(申请号:200910210197.0),申请人为台湾积体电路制造股份有限公司。该发明提出了一种新型的鳍式场效应晶体管(FinFET)架构。


台积电FinFET与三星GAA专利解密


形成在基体材料10上的FinFET 100的透视图,基体材料10可以由电介材料或半导体材料(比如二氧化硅、锗、砷化镓等)形成。FinFET 100主要包括源区4、漏区6以及其间的鰭20。图中的12是指的栅电介质12,它可以形成在鳍20的顶端和相对侧壁上,而栅电极8是形成在栅电介质12上的。


台积电FinFET与三星GAA专利解密


另一方面,当FinFET 100被关闭时,栅电压为零伏,电子趋于流经鳍20的表面层,也就是半导体层24。因此,载流子迁移率由于高的带隙EgB面很低,从而各FinFET 100的关电流(泄露电流)Ioff很低,这样就使得FinFET 100具有高的开关电流比。而且为了改善FinFET 100的性能,量子阱需要增强。所以,中心半导体鳍20的厚度Tl一般都会比较小。

台积电的此项发明能够为MOS晶体管性能带来改善,其包括驱动电流的改善,泄露电流的减小,以及高的开关电流比等等。相较之下,三星采用了GAA的工艺架构,使得两者再次走上了不一样的道路,不过随着后续产品的落地,台积电和三星势必要殊“死”一搏,一争高下!