英特爾將在2011年底之前開(kāi)始量產(chǎn)22nm工藝微處理器。該公司在該技術(shù)工藝方面率先向業(yè)內(nèi)導(dǎo)入了被稱為“三柵極（Tri-gate）”的三維構(gòu)造MOS晶體管。由于電流流過(guò)的溝道部分采用像魚的背鰭（Fin）一樣的立體形狀，因此通常稱為“Fin FET”。
最初提出Fin FET概念的是日本技術(shù)人員。那就是日立制作所中央研究所電子研究中心主管研究員久本大領(lǐng)導(dǎo)的研究小組。久本在1989年IEDM（International Electron Devices Meeting）上發(fā)表的“DELTA構(gòu)造”立體晶體管正是Fin FET的前身。久本憑借這方面的成績(jī)獲得了平成23年度（第11屆）山崎貞一獎(jiǎng)。山崎貞一獎(jiǎng)以半導(dǎo)體、材料及生物科技等領(lǐng)域取得先驅(qū)性業(yè)績(jī)的日本人為對(duì)象。日前，本站記者采訪了久本，請(qǐng)他談了提出Fin FET概念的過(guò)程以及CMOS微細(xì)化的前景。
——請(qǐng)談一下提出Fin FET概念的過(guò)程。
久本：我們研究小組是在1980年代后半期LSI制造技術(shù)迎來(lái)0.3μm工藝的時(shí)候開(kāi)始構(gòu)想Fin FET的。以當(dāng)時(shí)日立制作所半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的主力產(chǎn)品DRAM來(lái)說(shuō)，該技術(shù)可用于制造當(dāng)時(shí)最大容量的64Mbit產(chǎn)品。那時(shí)正值“CMOS微細(xì)化能延續(xù)到何種地步”的極限論浪潮再次襲來(lái)之際。當(dāng)時(shí)，被視為CMOS延續(xù)手段而得到各研究所大力研究的是采用SOI（Silicon On Insulator）構(gòu)造的MOS晶體管。各研究所開(kāi)始有數(shù)據(jù)表明，采用SOI薄膜的晶體管適于抑制成為微細(xì)化障礙的短溝道效應(yīng)。而Fin FET的概念正是在我們研究小組對(duì)SOI晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)展開(kāi)廣泛討論的過(guò)程中誕生的。
SOI晶體管有兩種，一種是使溝道完全耗盡的完全耗盡型，另一種是使溝道部分耗盡的部分耗盡型。我當(dāng)時(shí)認(rèn)為，能夠?qū)σ延衅矫鍯MOS發(fā)揮出充分優(yōu)勢(shì)的是完全耗盡型，SOI的真正價(jià)值正因是完全耗盡型才會(huì)得以體現(xiàn)。這一想法至今也基本未變。因此，我想完全耗盡型SOI晶體管也許能夠設(shè)法實(shí)現(xiàn)短溝道效應(yīng)強(qiáng)、容易提高導(dǎo)通電流的構(gòu)造。而最看好的就是通過(guò)柵極電極從兩個(gè)方向來(lái)控制溝道的雙柵極（Double-Gate）構(gòu)造。
平面CMOS通常在溝道上側(cè)設(shè)置柵極電極。簡(jiǎn)單考慮的話，要想實(shí)現(xiàn)雙柵極構(gòu)造，只要在溝道下側(cè)再設(shè)置一個(gè)柵極電極就行了。但我的直覺(jué)是，這種方法很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。原因是需要在下側(cè)柵極電極上以外延法及粘合法形成硅溝道，這一工序用自對(duì)準(zhǔn)（Self-Align）工藝很難實(shí)現(xiàn)。而不使用已在平面CMOS量產(chǎn)中積累起經(jīng)驗(yàn)的自對(duì)準(zhǔn)工藝的話，又很難以高成品率實(shí)施量產(chǎn)。因此，我感覺(jué)必須要在自對(duì)準(zhǔn)工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能夠用平面CMOS技術(shù)制造的雙柵極。
因此我們想出了將溝道制成立體形狀，并以柵極電極夾在溝道兩側(cè)的Fin FET構(gòu)造。如果是該構(gòu)造，便可利用自對(duì)準(zhǔn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)雙柵極。在1989年的IEDM上，我們發(fā)表了利用元件隔離用的LOCOS（Local Oxidation Of Silicon）工藝對(duì)SOI構(gòu)造的Fin FET進(jìn)行試制的結(jié)果。當(dāng)時(shí)采用了不僅在溝道兩側(cè)還在溝道上面設(shè)置柵極電極的三柵極構(gòu)造。1998年，我們發(fā)布了僅在溝道兩側(cè)設(shè)置柵極電極的雙柵極構(gòu)造的Fin FET。其特點(diǎn)在于，與三柵極構(gòu)造相比易于減小器件的尺寸。該研究成果當(dāng)時(shí)在業(yè)內(nèi)還屬首例。
——1989年在IEDM上首次發(fā)表Fin FET概念時(shí)，周圍反響如何？
久本：我感覺(jué)當(dāng)時(shí)并未受到多高評(píng)價(jià)。“可用平面CMOS技術(shù)制造的雙柵極”這一器件技術(shù)方面的革新性并未引起過(guò)多關(guān)注。反而有很多評(píng)價(jià)都著眼于實(shí)現(xiàn)SOI晶體管的新工藝技術(shù)提案這一側(cè)面。
——當(dāng)時(shí)，F(xiàn)in FET的實(shí)用化都面臨那些技術(shù)課題？是否考慮過(guò)實(shí)用化時(shí)間？
久本：要想發(fā)揮Fin FET的優(yōu)點(diǎn)，就必須要將“鰭”的寬度加工成比柵極長(zhǎng)度小的尺寸。雖然在研究水平上這一點(diǎn)足可實(shí)現(xiàn)，但投入量產(chǎn)的話就會(huì)出現(xiàn)成品率等問(wèn)題。另外，作為Fin FET的母材被看好的SOI基板當(dāng)時(shí)也因金屬污染問(wèn)題而無(wú)法在CMOS量產(chǎn)線中使用。這也是一大課題。
1998年發(fā)表雙柵極構(gòu)造的Fin FET時(shí)，曾感覺(jué)該技術(shù)導(dǎo)入量產(chǎn)的好處和壞處會(huì)在90～65nm工藝范圍達(dá)到平衡。但在導(dǎo)入一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，要想防止各種風(fēng)險(xiǎn)，好處就必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)壞處。鑒于這一點(diǎn)，我最終做出了Fin FET到25nm工藝前后才有用武之地的判斷。
——最終英特爾在22nm工藝方面率先在業(yè)內(nèi)將該技術(shù)導(dǎo)入量產(chǎn)。這與您預(yù)想的25nm工藝前后基本吻合。
久本：對(duì)于Fin FET的重要性，我還想指出一點(diǎn)是，其具有不提高溝道雜質(zhì)濃度即可抑制短溝道效應(yīng)的特點(diǎn)。以往平面CMOS為抑制短溝道效應(yīng)通常采用提高溝道雜質(zhì)濃度的手段。但這種方法存在載流子遷移率變差以及閾值電壓下降等此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。而SOI構(gòu)造不同，由于利用柵極電極的溝道控制性較高，因此即便在溝道雜質(zhì)濃度較低的條件下也可抑制溝道效應(yīng)。這也是Fin FET的共同特點(diǎn)。
在2000年代前半期，有很多觀點(diǎn)將Fin FET視為用來(lái)提高導(dǎo)通電流的技術(shù)。而到了2000年代后半期，閾值電壓不均作為一大課題成為焦點(diǎn)。在抑制閾值不均時(shí)，降低溝道雜質(zhì)濃度的方法非常有效。因此，這時(shí)便可發(fā)揮Fin FET在溝道濃度較低條件下也可抑制短溝道效應(yīng)的特點(diǎn)。作為Fin FET得以在22nm工藝這一時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的背景，這一點(diǎn)不容忽視。
——請(qǐng)談一下CMOS微細(xì)化的前景。有很多觀點(diǎn)認(rèn)為，今后在Fin FET延續(xù)數(shù)代后，會(huì)朝著以包圍溝道所有面的方式形成柵極電極的柵極全包圍（Gate-All-Around）構(gòu)造轉(zhuǎn)變。
久本：半導(dǎo)體廠商是選擇Fin FET還是選擇柵極全包圍構(gòu)造，這要取決于如何來(lái)設(shè)計(jì)CMOS晶體管的散熱性及其相關(guān)功耗。Fin FET易于向基板一側(cè)散熱，因此適于流經(jīng)大電流的高速器件。而柵極全包圍構(gòu)造則適于截止?fàn)顟B(tài)較多的低功耗設(shè)計(jì)。不過(guò)，柵極全包圍構(gòu)造尚未確立基于自對(duì)準(zhǔn)工藝的制造技術(shù)，這是其一大課題。
無(wú)論選擇哪種構(gòu)造，將溝道寬度減至比5nm小的水平都非常難。因?yàn)檫@時(shí)量子效應(yīng)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，用以往的方法很可能無(wú)法控制閾值電壓。Si-CMOS的真正極限可以說(shuō)就在溝道寬度減至5nm時(shí)。
——您對(duì)20多年前自己提出的概念最近得以實(shí)用化有何感受？請(qǐng)談一下身為研究人員的未來(lái)夢(mèng)想。
久本：感覺(jué)Fin FET在CMOS器件中的應(yīng)用已告一段落。但Fin FET還存在應(yīng)用于其他領(lǐng)域的可能性，今后的興趣在這一方面。比如，我們公司開(kāi)發(fā)了利用Fin FET的硅制LED及激光器。該創(chuàng)意旨在利用硅來(lái)實(shí)現(xiàn)連接芯片間的長(zhǎng)數(shù)mm以下的連接器。由于可在與LSI同一塊的芯片上形成光導(dǎo)波路，因此成本優(yōu)勢(shì)較大。雖然目前尚未取得激光振蕩等成果，但這是一個(gè)前景看好的課題。
另外，雖說(shuō)是與Fin FET不同的技術(shù)，但我們還在開(kāi)發(fā)可形成陡峭亞閾值斜率的晶體管。這是一種以0.5～0.3V的非常低的電壓工作的MOS晶體管。在2010年的IEDM上，我們就其實(shí)現(xiàn)可能性做了相關(guān)發(fā)表。相關(guān)成果表明，通過(guò)改進(jìn)已有MOS晶體管的擴(kuò)散層，便有望形成陡峭的亞閾值斜率。今后，LSI技術(shù)將朝著更注重低功耗的趨勢(shì)發(fā)展。從這一觀點(diǎn)來(lái)看，能夠形成陡峭亞閾值斜率的器件具有重大意義。
作為研究人員，我的夢(mèng)想仍與以前一樣。那就是使自己提案的器件變成產(chǎn)品，為社會(huì)做出貢獻(xiàn)。今后我將繼續(xù)追求這一夢(mèng)想。