文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文簡單介紹了體硅FinFET和SOI FinFET之間的結(jié)構(gòu)差異與工藝差異。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，晶體管結(jié)構(gòu)的選擇如同建筑中的地基設(shè)計(jì)，直接決定了芯片的性能上限與能效邊界。當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到22nm以下時，傳統(tǒng)平面晶體管已無法滿足需求，鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET) 以其三維立體結(jié)構(gòu)成為行業(yè)主流。然而在FinFET陣營內(nèi)部，一場關(guān)于“地基材料”的技術(shù)路線競爭悄然展開——這便是Bulk Silicon(體硅) 與SOI(絕緣體上硅) 兩大技術(shù)的對決。這場對決不僅關(guān)乎性能極限的突破，更牽動著芯片成本與可靠性的微妙平衡，成為半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵戰(zhàn)場。

結(jié)構(gòu)差異：從物理基礎(chǔ)看技術(shù)分野

Bulk Silicon FinFET：深槽隔離的工程杰作

Bulk Silicon FinFET基于常規(guī)硅晶圓制造，其核心挑戰(zhàn)在于如何在導(dǎo)電的硅襯底上實(shí)現(xiàn)相鄰晶體管間的有效隔離。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師們開發(fā)了淺溝槽隔離(STI) 技術(shù)：通過等離子刻蝕在硅襯底上挖出深達(dá)數(shù)百納米的溝槽;填充二氧化硅(SiO?) 或氮化硅(Si?N?) 作為絕緣材料;在隔離區(qū)域之間形成垂直硅鰭(典型高度30-50nm，寬度5-10nm);柵極從三面包裹硅鰭，增強(qiáng)溝道控制能力。

這一結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性在截面圖中顯露無遺：硅鰭底部與襯底直接相連，需要通過精密摻雜在鰭基形成隔離層，防止漏電流向襯底擴(kuò)散。隨著鰭高度的增加，摻雜均勻性控制成為難點(diǎn)，可能引發(fā)隨機(jī)摻雜漲落(RDF) 導(dǎo)致的閾值電壓波動。

SOI FinFET：天然絕緣的優(yōu)雅設(shè)計(jì)

SOI FinFET則構(gòu)建在特殊的三層晶圓上：頂層硅(~10nm)：用于刻蝕形成晶體管鰭片;埋氧層(BOX)(~25nm)：二氧化硅絕緣層，隔絕襯底;基底硅：僅起機(jī)械支撐作用。

這種結(jié)構(gòu)帶來了革命性簡化：無需STI刻蝕：埋氧層自然隔離相鄰器件;消除鰭基摻雜：BOX層阻擋垂直漏電路徑;硅鰭全耗盡：超薄頂層硅確保柵極完全控制溝道。

從電子顯微鏡圖像可見，SOI FinFET的硅鰭如精致的雕塑般矗立在光滑的氧化層上，與Bulk Silicon中復(fù)雜的隔離結(jié)構(gòu)形成鮮明對比。

工藝復(fù)雜度：從制造流程看成本控制

Bulk Silicon FinFET：繁瑣但成熟的前端工藝

Bulk Silicon FinFET的制造前端包含多個高精度步驟：

1、深槽刻蝕：反應(yīng)離子刻蝕(RIE)形成STI溝槽，深寬比達(dá)5：1以上;

2、隔離填充：原子層沉積(ALD)氮化硅+二氧化硅填充溝槽;

3、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)：去除多余隔離材料，實(shí)現(xiàn)全局平坦化;

4、鰭基注入：傾斜離子注入形成P/N阱與防穿通摻雜層;

5、硅鰭刻蝕：多重曝光光刻+刻蝕定義鰭陣列;

這些步驟不僅增加5-7道光罩，更引入摻雜均勻性和刻蝕深寬比等控制難點(diǎn)。特別是鰭基注入環(huán)節(jié)，需精確控制摻雜輪廓以平衡泄漏與性能，退火過程易導(dǎo)致雜質(zhì)擴(kuò)散，影響閾值電壓穩(wěn)定性。

SOI FinFET：簡化的前端流程

SOI工藝大幅簡化前端制程：

跳過STI：BOX層已實(shí)現(xiàn)天然隔離，僅需定義有源區(qū)圖形;

省略鰭基注入：埋氧層阻斷漏電，無需復(fù)雜摻雜工程;

直接鰭刻蝕：在超薄頂層硅上一步形成全耗盡硅鰭;

這種簡化使SOI FinFET的前端工藝步驟減少約30%，顯著降低成本。