独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任安田哲二]硅纳米器件组高级首席研究员松川隆、研究组组长庄原晃吉等人正在研究三维晶体管（FinFET)的低频噪音降低至迄今为止的最低水平。
晶体管的低频噪声是闪烁噪声，它与晶体管的面积成反比增加，这阻碍了模拟集成电路的缩小。此外，这也成为在模拟集成电路中使用晶体管的一个障碍，晶体管的性能是通过减小尺寸来提高的。这次，获得了均质状态非晶态我们成功地将采用金属栅极的 FinFET 的低频噪声降低至传统技术的大约五分之一。这项技术有望带来更小的芯片尺寸和更高的性能，从而降低模拟集成电路的成本。
有关该技术的详细信息，请参阅2014年12月15日至17日在美国旧金山举行的International Conference 2014国际电子器件会议 (IEDM2014)
 |
| 原型非晶金属栅极FinFET的降噪效果（左）以及与现有器件技术的比较（右） |
迄今为止，硅集成电路通过最小化晶体管这一最小组成单元，实现了更高的性能和更低的成本。此外，近年来智能手机等高性能便携式电子设备的普及很大程度上依赖于包括模拟和高频电路在内的系统集成电路的性能提高和成本降低。然而，模拟电路存在比数字电路更容易受到低频噪声影响的问题。这种低频噪声随着晶体管变得越来越小而增加，因此与不受噪声影响且尺寸越来越小的数字电路不同，模拟电路必须使用更大的晶体管，这一直是减小芯片面积和提高性能的障碍，从而降低成本。因此，对于能够显着降低模拟集成电路晶体管噪声的技术有着强烈的需求。
AIST一直在推动一种名为FinFET的新型晶体管结构的研究，该结构适合小型化。尤其是，这是数字电路小型化中最大的技术挑战特性变化问题并于 2011 年发现 FinFET 导通电流变化的主要原因是金属栅极材料物理特性的变化 (2011 年 12 月 8 日 AIST 新闻稿)，并且通过使用物理特性变化较小的非晶金属作为栅电极，显着减少了变化，实现了世界上最小的 FinFET 变化 (2012 年 12 月 12 日 AIST 新闻稿）。减少特性变化特别有助于数字集成电路的小型化和高性能化。此外，我们一直致力于技术开发，以推进模拟电路的小型化和性能提高。
这项研究和开发得到了独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金（基础研究 B，项目编号 26289113）的支持。
该技术通过在 FinFET 中引入非晶金属栅极，可有效抑制特性变化。多晶与使用金属栅电极相比，我们成功地显着降低了低频噪声。 FinFET的栅电极一般采用多晶金属。如图1所示，除了栅电极由多晶金属氮化钛（TiN）制成的FinFET之外，我们还制造了使用非晶金属氮化硅钽（TaSiN）作为栅电极的FinFET。我们已经发现，使用非晶金属栅极可以显着减少阈值电压和跨导（决定晶体管工作的重要参数）的变化，这次我们测量并比较了晶体管漏极电流中产生的噪声水平。
 |
| 图1 FinFET示意图（左）以及非晶金属栅极和多晶金属栅电极的横截面电子显微照片（右） |
图2显示了具有多晶金属栅电极和非晶金属栅电极的FinFET漏极电流的低频噪声波形。可以看出，虽然在多晶金属栅电极中观察到显着的噪声，但在非晶金属栅电极中噪声幅度被抑制到非常小的水平。图 3 显示了构成噪声的频率分布。在观察到显着噪声的多晶金属栅电极的情况下，该特性与闪烁噪声的频率特性成反比。另一方面，可以看出，表现出与频率成反比的特性的闪烁噪声在非晶栅电极中被显着抑制。
 |
| 图2非晶金属栅极和多晶金属栅电极FinFET的噪声波形比较 |
 |
| 图3非晶金属栅极finFET和多晶金属栅极finFET中的噪声频率分布 |
此次达到的低频噪声抑制效果已在集成电路中得到普遍应用体平面晶体管，具有像 FinFET 一样的低变化特性SOI平面晶体管的比较结果。这些现有晶体管使用多晶金属栅极。为了公平比较不同晶体管结构，以相同晶体管尺寸（沟道面积1微米见方）的噪声水平进行比较。可以看出，与其他晶体管结构相比，非晶金属栅极FinFET将噪声抑制至约五分之一（021倍）。如果达到这样的噪声抑制效果，预计即使模拟集成电路的芯片面积减少到五分之一，噪声也不会增加，从而带来降低集成电路成本的好处。此外，缩小021倍的面积相当于将栅极长度缩小约一半，从而可以在模拟电路中使用能够以更高速度运行的晶体管，而不会导致噪声增加。预计连锁反应将是智能手机和平板电脑等高性能无线终端的成本降低，以及下一代高速无线通信的普及，这需要比目前更高的频率运行。
 |
| 图4非晶金属栅极FinFET对现有器件技术的降噪效果（左）以及对模拟电路缩放的影响（右） |
该技术不仅可以被设备制造公司使用，也可以被使用尖端晶体管的模拟电路设计公司使用，我们将通过技术转让和与这些公司的合作来促进研究。未来，我们将使用可通过 FinFET 实现的极短栅极长度晶体管来制作模拟高频电路原型，并旨在展示电路级的优势。