【科研】FinFET老兵不死？台积电N3节点技术展望

摩尔定律几大领头羊都已公布了未来技术节点的规划，与三星不同的是，台积电在N3节点继续采用FinFET结构。在2021年VLSI-TSA会议上，庄绍勋教授所领衔的中国台湾多机构联合研究团队发表了关于FinFET器件在N3节点的应用可行性研究的，这也揭示了课题参与方之一的台积电仍然在N3节点沿用FinFET结构并非是出于“头铁”，而是基于研究成果的合理选择。

研究背景

在摩尔定律驱动下，晶体管结构从平面进化到3D形态的FinFET结构，工艺节点也已演进至5nm。通过FinFET结构，器件获得了更强的性能和更快的响应速度，芯片得以在HPC发挥更多的应用，诸如人工智能、AR、VR等新兴场景也开始出现。另一方面，为了获得更好的栅极开关控制能力，堆叠式GAA器件也开始被引入到N3/N2技术节点以替代FinFET器件。

因此，英特尔和三星都已公布了GAA器件结构将在5nm（英特尔工艺改名前）和3nm获得应用，而台积电则是在2nm节点才会首次启用GAA晶体管结构，他们认为服役十年的FinFET结构仍有相当的生命力，足以胜任5nm后的N3节点这一重任。

在于中国台湾新竹举办的2021年International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications (VLSI-TSA)会议上，台积电与TSRI等五方联合团队展示了N3节点采用FinFET结构的研究成果，并以“FinFET Plus: A Scalable FinFET Architecture with 3D Air-Gap and Air-Spacer Toward the 3nm Generation and Beyond”为题在会上发表。

研究内容

与纳米线和纳米片GAA FET相比，FinFET作为成熟技术在工艺成本和可制造性方面都有着明显的优势，不仅如此，团队在栅漏电容和寄生效应测试中发现，FinFET拥有更好的特性，这也坚定了台积电在N5/N3节点继续使用FinFET结构的信心。

栅漏电容测试对比

与之相对的，随着FinFET器件内部Fin间距的减小，在Fin之间如此狭小的间距内填补内部STI（浅沟道隔离）不切实际；同时，Fin之间的寄生电容也明显增大，这会阻碍FinFET结构往5nm和更小节点发展。

因此，团队提出采用air gap代替STI，并将其称之为Air-trench-isolation（以下简称ATI），采用这一方法可继续缩小Fin间距、拉伸Fin高度并减小寄生电容，使晶体管获得更大的性能增益。此外，还可以进一步通过air-spacer结构来改善栅漏电容。

22nm-5nm节点结构及ATI示意

N22-N3节点，ATI与STI两种FinFET器件寄生电容对比

制造流程步骤

实验FinFET结构示意图

图(a友商)及图(b-h)为ATI与STI示意图/电镜图比较

单个CMOS的传输时延与动能测试中

ATI Finfet

与两种GAA结构相比：

FinFET拥有1.43倍更快响应速度

并且同频能耗下降54%

三种FinFET结构N3节点的对比

前景展望

研究成果显示，具有ATI和air-spacer结构的FinFET器件获得了更大的驱动电流、更少的短沟道效应、更小的寄生电容电阻延时。因此，采用创新型FinFET架构，完全可以N3节点上实现更好的性能。此外，具有air-spacer和ATI的FinFET的RO频率是堆叠纳米线和纳米片的器件1.43倍。这项研究为台积电N3 FinFET工艺的研发开辟了道路，也为FinFET导入到更低功耗的HPC应用领域提供了重要的技术研究基础。

团队介绍

庄绍勋，中国台湾阳明交通大学讲席教授，联电研究讲席教授，中国台湾“自由型卓越学研计划”总工程师，2018年被评选为IEEE终身会士。庄绍勋教授博士毕业于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，是中国台湾地区首个以第一作者身份在VLSI Symposium发文的中国台湾学者，对于中国台湾集成电路学术研究和产业技术的进步起到了重大推动作用。

中国台湾阳明交通大学，原中国台湾交通大学与阳明大学于2121年正式合并改组完成，两校皆为中国台湾一流学府，分别专长于电子信息领域和生物医学领域；其中，台交大在电子、通信和光电等学科研究水平世界一流。

论文原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9440097/