纳米集成电路FinFET器件物理与模型

集成电路已进入纳米世代，为了应对集成电路持续缩小面临的挑战，鳍式场效应晶体管（FinFET）应运而生，它是继续缩小和制造集成电路的有效替代方案。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》讲解FinFET器件电子学，介绍FinFET器件的结构、工作原理和模型等。

《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》主要内容有：主流MOSFET在22nm节点以下由于短沟道效应所带来的缩小限制概述；基本半导体电子学和pn结工作原理；多栅MOS电容器系统的基本结构和工作原理；非平面CMOS工艺中的FinFET器件结构和工艺技术；FinFET基本理论；FinFET小尺寸效应；FinFET泄漏电流；FinFET寄生电阻和寄生电容；FinFET工艺、器件和电路设计面临的主要挑战；FinFET器件紧凑模型。

《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》内容详实，器件物理概念清晰，数学推导详尽严谨。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》可作为高等院校微电子学与固体电子学、电子科学与技术、集成电路科学与工程等专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。

萨马·K.萨哈（Samar K.Saha）从印度Gauhati大学获得物理学博士学位，在美国斯坦福大学获得工程管理硕士学位。目前，他是加利福尼亚州圣塔克拉拉大学电气工程系的兼职教授，也是Pros-picient Devices的首席研究科学家。自1984年以来，他在美国国家半导体、LSI逻辑、德州仪器、飞利浦半导体、Silicon Storage Technology、新思、DSM Solutions、Silterra USA和Su-Volta担任各种技术和管理职位。他还曾在南伊利诺伊大学卡本代尔分校、奥本大学、内华达大学拉斯维加斯分校以及科罗拉多大学科罗拉多泉分校担任教员。他撰写了100多篇研究论文。他还撰写了一本书Compact Models for Integrated Circuit Design: Conventional Transistors and Beyond（CRC出版社，2015年）；撰写了关于TCAD的书Technology Computer Aided Design: Simulation for VLSI MOSFET（C.K.Sarkar主编，CRC出版社，2013年）中的一章“Introduction to Technology Computer-Aided Design”；拥有12项美国专利。他的研究兴趣包括纳米器件和工艺体系结构、TCAD、紧凑型建模、可再生能源器件、TCAD和研发管理。
Saha博士曾担任美国电气电子工程师学会（IEEE）电子器件分会（EDS）2016～2017年会长，目前担任EDS高级前任会长、J.J.Ebers奖委员会主席和EDS评审委员会主席。他是美国电气电子工程师学会（IEEE）会士、英国工程技术学会（IET）会士、IEEEEDS杰出讲师。此前，他曾担任EDS的前任初级会长；EDS颁奖主席；EDS评审委员会成员；EDS当选会长；EDS出版部副总裁；EDS理事会的当选成员；IEEEQuestEDS主编；EDS George Smith和Paul Rappaport奖主席；5区和6区EDS通讯编辑；EDS紧凑模型技术委员会主席；EDS北美西部区域/分会小组委员会主席；IEEE会议出版委员会成员；IEEETAB期刊委员会成员；圣克拉拉谷旧金山EDS分会财务主管、副主席、主席。

适读人群 ：半导体与集成电路领域工程技术人员，微电子、集成电路、电子技术等专业学生

1）作者为IEEE会士、Prospicient Devices首席研究科学家，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》是作者30多年工业经验和20多年教学经验的结晶。

2）芯片制造经典著作，FinFET是继续缩小和制造集成电路的首*xuan器件。

3）《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》介绍了FinFET器件和技术的基本理论和工作原理，概述了FinFET器件结构和制造工艺，并给出了用于集成电路设计和制造的FinFET器件特性的详细公式。

4）《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》内容详实，器件物理概念清晰，数学推导详尽严谨，即使不太熟悉半导体物理的人员也能轻易理解FinFET概念。

前言

作为互联网、社会媒体和网络互联或者称为物联网（IoT）的基础，硅集成电路（IC）极大地影响了现代社会。新兴的互联网技术提供了人与人、人与机器和机器与机器的通信，使设备和服务能够实现通知、安全、节能、自动化、电信、医疗保健、计算机、娱乐等功能。物联网集成到一个单一的生态系统中，以创建具有共享用户界面的智能环境。由于金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管（FET）或MOSFET器件的不断小型化，提供了低成本、高密度、高速和低功耗集成电路，使得智能环境和集成生态系统的不断进步成为可能。创建智能网络或“智能事物”以实现智能环境和集成生态系统需要“智能”电子产品，然而，由于短沟道效应（SCE）等基本物理的限制， 设计和制造这些“智能”电子产品的MOSFET的性能已接近极限。在10nm世代，缩小MOSFET器件沟道长度会降低器件性能，包括亚阈值摆幅的退化和器件开启电压的降低。通过降低导致过大泄漏电流的栅极电压并不易将尺寸缩小的MOSFET关断。而且，由于短沟道效应的存在，器件特性对工艺波动变得越来越敏感，这对平面MOSFET持续向纳米节点缩小提出了严峻的挑战。此外，当栅长小于22nm时，无论栅氧化层厚度如何，亚表面泄漏路径都会受到栅极的弱控制，通过耦合到漏极的增强电场的作用，漏极偏置可以很容易地降低其势垒。因此，为了应对MOSFET持续缩小的挑战，鳍式场效应晶体管（FinFET）应运而生，它是继续缩小和制造集成电路的真正替代方案，从而能创造智能事物，实现智能环境和集成生态系统。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》介绍了FinFET器件的基本结构和工作原理，它们是理解超大规模集成（VLSI）电路和系统的设计与制造所必需的。

市面上已有关于器件工艺和FinFET建模的大量研究论文和一些书籍。大多数研究论文都是为该领域的专家撰写的。另一方面，关于FinFET的现有书籍，要么是专注于用于集成电路设计的器件建模，要么是研究和开发方面的研究论文集，而没有提供FinFET器件工作的基本原理，也没有足够的背景知识来帮助初学者以及正在转向FinFET器件技术的一线工程师和专家理解新采用的主流器件技术。在工业界，我在半导体工艺、器件结构与器件建模领域工作了30余年，在学术界，我讲授器件和工艺物理及器件建模课程20多年，在这之后，我觉得需要一本全面讲解FinFET器件电子学的图书，以便于理解纳米级FinFET集成电路的设计与制造。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》为读者提供了FinFET的基本结构和理论，以持续将器件缩小至VLSI电路制造技术的最终缩小极限。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》从基本半导体电子学开始，介绍了FinFET工作原理和建模。因此，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》对初学者和微电子器件与设计工程领域的专家了解FinFET器件的理论和工作很有用。

《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》面向在电子器件领域工作的研究人员和从业者以及电气和电子工程专业的高年级本科生和研究生。然而，即使对不怎么熟悉半导体物理的本科生，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》的写作方式也能让他们理解FinFET的基本概念。

第1章介绍了在纳米节点VLSI电路和系统中作为主流MOSFET和平面CMOS工艺的替代者的FinFET器件。本章概述了主流MOSFET在22nm节点以下由于短沟道效应所带来的缩小限制，讨论了用于22nm以下节点的VLSI电路和系统的尺寸缩小的非传统平面MOSFET和非平面FinFET器件；并介绍了多栅超薄体FinFET器件在克服亚22nm世代VLSI电路制造中的短沟道效应方面的优势。此外，还介绍了用于非平面CMOS工艺的FinFET的产生和发展的详尽历史。

第2章简要介绍了基本的半导体电子学和pn结工作原理，作为理解FinFET器件的背景材料。

第3章介绍了多栅MOS电容器系统的基本结构和工作原理，作为FinFET器件理论发展的基础；推导了多栅MOS电容器系统的解析表达式，由此讨论了多栅MOS电容器系统在积累、耗尽和反型模式下的工作；建立了统一的表面势函数，用以分析适用于FinFET器件的多栅MOS电容器的特性。文中还导出了一个统一的反型电荷表达式，用以解释多栅MOS电容器中的衬底掺杂效应，可用于FinFET电流的计算。

第4章概述了非平面CMOS工艺中的FinFET器件结构、工艺技术和典型的FinFET制造工艺；综述了在体硅衬底和SOI衬底上制备FinFET的工艺流程，重点介绍了各种工艺的复杂性和优点。

第5章介绍了FinFET的基本理论、表面势的计算方法以及长沟道器件的静电行为；采用一组简化的假设推导了适用于所有器件工作区域的长沟道器件的连续漏极电流表达式；另外，从连续漏极电流表达式得到了线性、饱和和亚阈值等各个工作区的漏极电流表达式，可用于器件性能的直观分析。

第6章介绍了FinFET中的小尺寸效应，以精确表征实际的器件效应；给出了短沟道效应的数学表达式，包括Vth滚降、DIBL、量子力学效应、低场迁移率、速度饱和、沟道长度调制和输出电阻等。

第7章讨论了在VLSI电路和系统中，FinFET器件泄漏电流不同分量的物理机制和数学表达式。这些泄漏电流分量包括由于漏极与源极接近而产生的亚阈值泄漏电流、由于带-带隧穿而产生的栅致漏和源泄漏电流、源漏pn结泄漏电流和栅极隧穿电流。

第8章概述了FinFET的寄生电阻和寄生电容组成，寄生电阻包括接触电阻、扩展电阻、 凸起的源漏串联电阻的源漏延伸电阻分量以及栅极电阻，寄生电容包括覆盖电容、边缘电容和源漏pn结电容。

第9章概述了FinFET工艺、器件和电路设计面临的主要挑战。

第10章概述了公共多栅FinFET器件目前最先进的紧凑模型。器件模型包括一个大尺寸器件核心模型和短沟道器件的模型，以精确分析物理和几何尺寸效应对实际器件的影响。该模型包括FinFET器件的电流-电压和电容-电压公式。此外，还建立了一个工艺波动模型来估计掺杂涨落对FinFET器件的影响。

《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》每章最后都提供了大量的参考文献，以帮助读者了解FinFET和纳米级集成电路FinFET制造技术的演变和发展。

Samar K.Saha

译者序
前言
作者简介
第1章 概述
1.1 鳍式场效应晶体管（FinFET）
1.2 集成电路制造中的MOSFET器件概况
1.2.1 纳米级MOSFET缩小的挑战
1.2.1.1 短沟道MOSFET中的泄漏电流
1.2.1.2 MOSFET性能波动
1.2.2 MOSFET缩小难题的物理机理
1.3 替代器件概念
1.3.1 无掺杂或轻掺杂沟道MOSFET
1.3.1.1 深耗尽沟道MOSFET
1.3.1.2 埋晕MOSFET
1.3.2 薄体场效应晶体管
1.3.2.1 单栅超薄体场效应晶体管
1.3.2.2 多栅场效应晶体管
1.4 VLSI电路和系统中的FinFET器件
1.5 FinFET器件简史
1.6 小结
参考文献
第2章 半导体物理基础
2.1 简介
2.2 半导体物理
2.2.1 能带模型
2.2.2 载流子统计
2.2.3 本征半导体
2.2.3.1 本征载流子浓度
2.2.3.2 电子和空穴的有效质量
2.2.4 非本征半导体
2.2.4.1 非本征半导体中的费米能级
2.2.4.2 简并掺杂半导体中的费米能级
2.2.4.3 半导体中的静电势和载流子浓度
2.2.4.4 准费米能级
2.2.5 半导体中的载流子输运
2.2.5.1 载流子漂移：载流子在电场中的运动
2.2.5.2 载流子扩散
2.2.6 载流子的产生-复合
2.2.6.1 注入水平
2.2.6.2 复合过程
2.2.7 半导体基本方程
2.2.7.1 泊松方程
2.2.7.2 传输方程
2.2.7.3 连续性方程
2.3 n型和p型半导体接触理论
2.3.1 pn结的基本特征
2.3.2 内建电势差
2.3.3 突变结
2.3.3.1 静电学
2.3.4 外加偏压下的pn结
2.3.4.1 单边突变结
2.3.5 pn结上的载流子输运
2.3.5.1 少数载流子浓度与结电势的关系
2.3.6 pn结I-V特性
2.3.6.1 pn结泄漏电流的温度依赖性
2.3.6.2 pn结电流方程的局限性
2.3.6.3 体电阻
2.3.6.4 结击穿电压
2.3.7 pn结动态特性
2.3.7.1 结电容
2.3.7.2 扩散电容
2.3.7.3 小信号电导
2.3.8 pn结等效电路
2.4 小结
参考文献
第3章 多栅金属-氧化物-半导体（MOS）系统
3.1 简介
3.2 平衡态下多栅MOS电容器
3.2.1 孤立的金属、氧化物和半导体材料的特性
3.2.1.1 功函数
3.2.2 接触形成MOS系统中的金属、氧化物和半导体材料
3.2.2.1 金属栅功函数位于硅带隙边缘的MOS系统
3.2.2.2 金属栅功函数位于硅带隙中央的MOS系统
3.2.3 氧化层电荷
3.2.3.1 界面陷阱电荷
3.2.3.2 固定氧化层电荷
3.2.3.3 氧化层陷阱电荷
3.2.3.4 可动离子电荷
3.2.4 氧化层电荷对能带结构的影响：平带电压
3.2.5 表面势
3.3 外加偏压下的MOS电容器
3.3.1 积累
3.3.2 耗尽
3.3.3 反型
3.4 多栅MOS电容器系统：数学分析
3.4.1 泊松方程
3.4.2 静电势和电荷分布
3.4.2.1 半导体中的感生电荷
3.4.2.2 表面势公式
3.4.2.3 阈值电压
3.4.2.4 表面势函数
3.4.2.5 反型电荷密度的统一表达式
3.5 量子力学效应
3.6 小结
参考文献
第4章 FinFET器件工艺概述
4.1 简介
4.2 FinFET制造工艺
4.3 体FinFET制造
4.3.1 起始材料
4.3.2 阱的形成
4.3.2.1 p阱的形成
4.3.2.2 n阱的形成
4.3.3 Fin图形化：间隔层刻蚀技术
4.3.3.1 芯轴图形化
4.3.3.2 氧化物间隔层形成
4.3.3.3 硅Fin形成
4.3.4 非传统的阱形成工艺
4.3.5 栅极定义：多晶硅dummy栅形成
4.3.6 源漏延伸工艺
4.3.6.1 nFinFET源漏延伸形成
4.3.6.2 pFinFET源漏延伸形成
4.3.7 凸起源漏工艺
4.3.7.1 SiGepFinFET凸起源漏形成
4.3.7.2 SiCnFinFET凸起源漏形成
4.3.7.3 凸起源漏硅化
4.3.8 替代金属栅形成
4.3.8.1 多晶硅dummy栅去除
4.3.8.2 高k栅介质淀积
4.3.8.3 金属栅形成
4.3.9 自对准接触形成
4.3.9.1 金属化
4.4 SOI-FinFET工艺流程
4.4.1 起始材料
4.4.2 Fin图形化：间隔层刻蚀技术
4.4.2.1 芯轴图形化
4.4.2.2 氧化物间隔层形成
4.4.2.3 硅Fin形成
4.4.3 体硅FinFET与SOI-FinFET制造工艺比较
4.5 小结
参考文献
第5章 大尺寸FinFET器件工作原理
5.1 简介
5.2 FinFET器件的基本特征
5.3 FinFET器件工作
5.4 漏极电流公式
5.4.1 静电势的推导
5.4.2 对称DG-FinFET的连续漏极电流方程
5.4.3 对称DG-FinFET的区域漏极电流公式
5.4.3.1 阈值电压公式
5.4.3.2 线性区Ids方程
5.4.3.3 饱