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FinFET应变技术原理
资料介绍
一、应变技术引入FinFET的背景
随着摩尔定律的持续推进，集成电路的特征尺寸不断缩小，传统平面MOSFET逐渐遭遇了短沟道效应带来的性能瓶颈。当晶体管沟道长度缩小到22nm及以下节点时，平面结构栅极对沟道载流子的控制能力大幅下降，漏电流显著增大，器件功耗提升、稳定性下降，已经无法满足高性能集成电路的需求。鳍式场效应晶体管（FinFET）凭借三维立体的鳍状沟道结构，实现了栅极对沟道的多面包围，极大提升了栅控能力，有效抑制了短沟道效应，成为了16nm/14nm及更先进工艺节点的主流晶体管结构。
然而，即使FinFET解决了短沟道效应的核心问题，在尺寸持续微缩的过程中，仍需要进一步提升器件的驱动电流和开关速度，以满足芯片性能不断提升的要求。应变技术通过在晶体管沟道区域引入可控的晶格应变，改变沟道材料的能带结构，提升载流子迁移率，从而在不进一步缩小器件尺寸的前提下，有效提升FinFET的驱动能力和工作频率，降低器件功耗，因此成为FinFET工艺中不可或缺的关键技术。
二、应变技术提升FinFET性能的基本原理
2.1 应变对硅能带结构的调制作用
单晶硅原本为金刚石型面心立方晶体结构，晶格原子排列对称，导带和价带结构具有明确的简并性。当沟道区域受到外力作用产生晶格应变后，晶体的对称性被打破，导带和价带的能级发生分裂，简并被解除，进而改变了载流子的有效质量和散射概率。
对于n型FinFET，沟道载流子为电子。硅的导带底位于六个等价的Δ能谷，在沿沟道长度方向的张应变作用下，能谷能级发生分裂：沿应变方向的能谷能级降低，垂直应变方向的能谷能级升高，绝大多数电子会占据低能级的能谷。这些能谷中电子的纵向有效质量更小，同时不同能谷之间的散射概率显著降低，因此整体电子迁移率得到提升。
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