米乐m6官方网站（AIST）纳米电子研究所（所长：Seigo Kanemaru）硅纳米器件组的Takashi Matsukawa（高级研究员）和Meishoku Masahara（组长）阐明了导致14 nm代三维晶体管通态电流变化的主要因素，即 FinFET（鳍式场效应晶体管）。

导致晶体管通态电流变化的因素是阈值电压、寄生电阻和跨导变量（图1）。通过详细分析每个因素的贡献，研究人员发现，导致 14 纳米 FinFET 通态电流变化的主要因素是跨导的变化。此外，据预测，硅三维通道（鳍通道）的高精度加工将减少通态电流的变化。此外，还提出了一种可有效减少变异性的翅片通道处理方法。对于14纳米之后的集成电路，例如SRAM（静态随机存取存储器）来说，最大的问题是电路的良率下降。由于晶体管的通态电流与设计水平的变化会导致电路故障，因此通态电流的变化较大会影响成品率。然而，预计目前的研究结果将有助于解决这一挑战。

这项技术的详细信息将于2011年12月5日至7日在美国华盛顿特区举行的2011年国际电子器件会议(IEDM)上公布。

图 1：导致三维晶体管通态电流变化的因素（左） 并预测 14 nm 代晶体管的通态电流变化以及每个因素的贡献（右）

硅集成电路的性能改进和集成规模的增加是通过微型化晶体管（这些电路中最小的元件）来实现的。元件的小型化还与成本降低相关，因此开发更小型化元件的激烈竞争仍在继续。它们的尺寸较小，并且人们担心产品产量和可靠性会大幅下降。特别是，占据系统LSI（大规模集成电路）和微处理器50%以上面积的SRAM，由于在其电路中大量使用最小的晶体管，因此很容易受到特性分散的影响。由于这些原因，迫切需要开发特性变化较小的小型化晶体管。

AIST 一直在研究具有三维结构的 FinFET 新结构晶体管。此外，AIST提出了一种电控制晶体管参数的四端子FinFET，并于2003年演示了该晶体管的操作。此外，AIST于2008年提出金属栅电极材料的物理特性的不均匀性是影响FinFET特性变化的新因素，并于2010年提出了能够减少物理特性变化的互补金属氧化物半导体工艺（AIST新闻稿6月15日， 2010）。此后，AIST 一直在继续其研究和开发工作，以抑制 FinFET 特性的可变性。

这项研究得到了新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 的一个项目“纳米电子器件技术的开发（2009-2011 财年）”的部分支持。

图 2 显示了测量的 48 个栅极长度为 80 nm、鳍片厚度为 25 nm 的 FinFET 的电气特性变化。传统上，阈值电压的变化被认为是与集成电路的性能直接相关的导通状态电流的变化的主要原因。图 2（左）显示了阈值电压变化对通态电流变化的影响。然而，如图2（右）所示，即使通过使用栅极电压和阈值电压之间的差作为水平轴来调整阈值电压变化，由于跨导变化，导通状态电流也会发生变化。

图 2：导致通态电流变化的阈值电压变化和跨导变化

根据测量的电气特性，研究人员评估了三个参数的变量：阈值电压、寄生电阻和跨导。他们详细分析了三个参数之间的相关性、通态电流与每个参数之间的相关性以及与晶体管尺寸变化的相关性。评估了晶体管尺寸减小的原因。结果表明，尽管通过减薄栅极绝缘体可以减少阈值电压变化的影响（AIST 新闻稿，2010 年 6 月 15 日），但跨导的变化很难通过元件的小型化来减少，并且随着元件尺寸的进一步减小，跨导的变化将成为一个重要因素。据预测，14 nm 代 FinFET 中跨导的变化是通态电流变化的主要因素（图 3）。

图 3：导致 14 纳米 FinFET 通态电流变化的因素（左）以及每个因素的贡献（右）

研究人员还测量了采用传统加工技术（干法蚀刻技术）形成的鳍通道的 FET 和采用 AIST 开发的纳米湿法蚀刻技术形成的 FET 的跨导变异性。图 4 显示了测量的跨导变异性的 Pelgrom 图。 Pelgrom 图被广泛用作晶体管特性变异性的指标。横轴表示栅极面积平方根的倒数，纵轴表示跨导的变异系数（标准差/平均值）。绘图的斜率，A_通用，是相对于门尺寸减小的变异性增加率；较小的 A_通用值表明对特征变异性的更好抑制。研究发现，采用纳米湿法刻蚀技术对硅鳍片通道进行高精度加工时，跨导存在可变性。

图 4：跨导变异性评估结果

图5显示了通过应用纳米湿法蚀刻技术来降低跨导变异性的机制。对引起跨导变化的可能因素的进一步分析表明，主要因素是迁移率的变化，这是由沟道中载流子的散射率决定的。通过传统的干蚀刻技术进行的鳍处理会产生鳍侧壁的表面粗糙度，反映抗蚀剂的线边缘粗糙度。此外，在加工过程中，翅片通道中的等离子体可能会产生损坏或带电缺陷。这些缺陷充当载流子的散射中心并降低迁移率。传统处理会造成晶体管之间散射中心密度的变化，从而导致迁移率的变化。相比之下，采用纳米湿法刻蚀技术不会对鳍片通道造成任何损坏，而且鳍片的侧面极其光滑。由于这些原因，可以认为散射中心的密度保持较低，从而抑制迁移率变化及其引起的跨导变化。

图5：使用纳米湿法蚀刻技术降低跨导变异性的机制

预测的 14 nm 代 FinFET 通态电流变异性以及每个主要因素的贡献如图 6 所示。当采用传统干法蚀刻技术制造鳍通道时，跨导变异性是导致通态电流发生较大变异性的主要因素。然而，通过纳米湿法蚀刻技术高精度处理鳍通道可将跨导变异性抑制到较低水平，并且有望降低通态电流变异性。

图 6：导致 14 纳米 FinFET 通态电流变化的每个因素的估计贡献

这些结果提出了一种解决晶体管特性可变性问题的方案，该问题在 14 纳米晶体管中是一个严重问题。该解决方案将有助于解决 SRAM 等集成电路产量下降的问题。

研究人员计划使用 FinFET 制造集成电路，旨在展示电路级产量和可靠性的改进。