绝缘体上硅衬底FinFET专利技术概述

姚珂

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 湖北武汉 430000）

摘 要：由于智能电子技术的不断发展，采用传统晶体管的摩尔定律已经走到极限，人们迫切需要新一代半导体技术来进一步减小器件尺寸。一种新型器件结构，鳍式场效应晶体管（FinFET）已成为技术发展的方向。本文从专利角度分析了SOI FinFET器件的全球以及国内的发展趋势和重要申请人，并剖析了其技术热点。分析显示我国SOI FinFET技术与国外先进水平仍有较大差距，但近年来对该领域的研发越来越重视，投入逐年增大，正逐步实现赶超。

关键词：FinFET 专利技术

1、概述

随着半导体器件特征尺寸按摩尔定律等比缩小和芯片集成度不断提高，其中出现的众多负面效应使得传统的平面型MOSFET在半导体技术发展到22nm时遇到了瓶颈，尤其是短沟道效应显著增大导致器件关态电流急剧增加。其中，一种新型器件结构，鳍式场效应晶体管（FinFET） 越来越受到人们的关注。在FinFET架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D结构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开，图1便是平面型晶体管和三栅 FinFET的一般结构[1]。

图1 平面型晶体管和三栅 FinFET的一般结构

根据衬底结构特点，FinFET器件可分为绝缘体上硅（SOI）衬底FinFET器件和體硅衬底FinFET器件。由于SOI器件在衬底中存在埋氧层，在SOI衬底上实现FinFET较容易，且源漏之间、器件之间形成自然的电学隔离，可以有效抑制漏电和避免闩锁效应。然而，二氧化硅的热导率低，会产生自加热效应。从而器件的迁移率、阈值电压、漏端电流、亚阈值斜率都会受温度影响。因此，在现阶段和未来CMOS器件的研究和应用中，SOI FinFET器件成为了技术发展热点，同时也面临着诸多挑战。

2、专利申请整体状况

2.1 国外专利申请状况

2.1.1 国外专利申请整体状况

根据专利检索的结果，可以得出SOI FinFET的全球专利申请量趋势，大致可分为三个阶段。

起步阶段：2000-2004年

2000年，出现了第一件SOI FinFET的专利申请，是美国加尼福利亚大学的专利申请（公开号US6413802B1），其中双栅SOI FinFET结构的栅形成于沟道两侧，有效抑制了短沟道效应，并增强了器件的驱动能力。

稳步发展阶段：2005-2010年

此间，每年的SOI FinFET申请量稳定在50件左右，还处于研究和探索阶段，鲜有大规模的产业应用。

快速发展阶段：2011年-至今

由于智能电子技术的快速发展，FinFET作为可实现更高集成度的器件，得以在产业中广泛应用。因此，在此阶段，SOI FinFET的专利申请量实现了大幅增长。从2010年的40件，大幅增长到2012年的110件，两年间实现了近三倍的增长，而近年来，也不断呈现增长趋势。

2.1.2 国外重要申请人分析

根据SOI FinFET专利的重要申请人分析可知，美国的IBM公司占有绝对优势，其次为台积电。

IBM公司是SOI FinFET技术的推崇者，其通过与AMD公司建立了长期的战略合作伙伴关系，在该领域拥有绝对优势。IBM和英特尔的FinFET技术最大差异就在于，英特尔一如既往的采取传统的块状矽晶途径开发，而IBM的FinFET架构则是以全耗尽FD-SOI技术为基础，不仅保留了平面技术的优点，还具备结构隔离、无掺杂、低功耗与低电压作业的特性。

台积电（TSMC）则为该领域仅次于IBM专利申请量的重要申请人。FinFET技术最早由加州大学伯克利分校的胡正明教授提出，而后他于2001-2004年担任台积电的首席技术官。近年来，台积电在SOI FinFET制造和产业应用上也示出了强劲的势头。

2.2 中国专利申请状况

2.2.1 我国专利申请整体状况

图2 全球申请量与中国申请量比例图

上图示出中国SOI FinFET的专利申请量与全球专利申请量的比例图，可见其发展都呈现增长趋势（近几年由于专利尚未公开，数据有滞后）。然而，中国第一件SOI FinFET的专利申请出现在2002年，比国外滞后了两年。而我国自主研发的SOI FinFET专利申请则更晚。在2004年，北京大学首次提出了国内自主研发的SOI FinFET专利申请（公开号CN1622301A），该申请利用了沉积氮化硅来保护鳍区然后氧化形成鳍区的准SOI结构，工艺简便。

可见我国在SOI FinFET领域起步较晚，但我国申请量占全球申请量的比例近年来是呈现逐步上升的趋势。这说明我国近年来对该领域的研发越来越重视。

同时，通过分析我国专利申请区域可发现我国自主知识产权的SOI FinFET研发机构所在区域非常集中，基本上在上海和北京。苏州、无锡、杭州、武汉、成都、西安等地虽然半导体设计和制造也相对发达，但在SOI FinFET领域的研发能力还有待进一步发展。

3、SOI衬底FinFET专利技术热点分析

自2000年始，SOI FinFET技术已经过了多年的发展，其制程在不断缩小，到现在IBM和英特尔在14nm工艺制程下的竞争已趋白热化。集成电路半导体技术不断追求着密度大，成本低，速度快，功耗小，这同样对SOI FinFET技术不断提出新的要求[2]。目前，主要的热点技术有：1）提高载流子迁移率，获得更高的沟道控制能力。2）采用侧墙显影技术保证线宽一致性。3）简化工艺，降低成本。4）高密度下性能的优化，例如采用堆叠结构、改善工序，采用新的微结构等。

4、前景分析和总结

综上所述，我国SOI FinFET技术与国外先进水平仍有较大差距，但我国近年来对该领域的研发越来越重视，投入逐年增大，正逐步实现赶超。我国可以综合利用自身优势，寻求SOI FinFET器件的研究热点，实现弯道超车。

参考文献：

[1] 朱范婷，“FinFET技术”.数字技术与应用，2014（01）

[2] 李俊锋等，“用于后栅工艺的SOI-FinFET选择性沟道缩小技术”，微纳电子技术，2015（07）