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帮你看懂已经全面攻占iPhone的FinFET

Dr. J?? 2015年09月18日 ?? 收藏0
打开这一年来半导体最热门的新闻,大概就属FinFET了,例如:iPhone 6s内新一代A9应用处理器采用新晶体管架构很可能为鳍式晶体管(FinFET),代表FinFET开始全面攻占手机处理器,三星与台积电较劲,将10 奈米 FinFET 正式纳入开发蓝图 、联电携 ARM,完成 14 奈米 FinFET 工艺测试。到底什么是FinFET?它的作用是什么?为什么让这么多国际大厂趋之若骛呢?

什么是 FET?

FET 的全名是场效晶体管(Field Effect Transistor,FET),先从大家较耳熟能详的MOS来说明。MOS 的全名是金属-氧化物-半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET), 构造如图一所示,左边灰色的区域(硅)叫做源极(Source),右边灰色的区域(硅)叫做汲极(Drain),中间有块金属(红色)突出来叫做闸极(Gate),闸极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),因为中间由上而下依序为金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为MOS。

MOSFET 的工作原理与用途

MOSFET 的工作原理很简单,电子由左边的源极流入,经过闸极下方的电子信道,由右边的汲极流出,中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过,有点像是水龙头的开关一样,因此称为闸;电子是由源极流入,也就是电子的来源,因此称为源;电子是由汲极流出,看看说文解字里的介绍:汲者,引水于井也,也就是由这里取出电子,因此称为汲。

图1

·当闸极不加电压,电子无法导通,代表这个位是 0,如图一(a)所示;

·当闸极加正电压,电子可以导通,代表这个位是 1,如图一(b)所示。

MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效晶体管(FET),科学家将它制作在硅晶圆上,是数字讯号的最小单位,一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1,就是计算机里的一个位(bit)。计算机是以 0 与 1 两种数字讯号来运算;我们可以想象在硅芯片上有数十亿个 MOSFET,就代表数十亿个 0 与 1,再用金属导线将这数十亿个 MOSFET 的源极、汲极、闸极链接起来,电子讯号在这数十亿个 0 与 1 之间流通就可以交互运算,最后得到使用者想要的加、减、乘、除运算结果,这就是计算机的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电,就是在硅晶圆上制作数十亿个 MOSFET 的工厂。

闸极长度: 半导体制程进步的关键

在 MOSFET 中,闸极长度(Gate length)大约 10 奈米,是所有构造中最细小也最难制作的,因此我们常常以闸极长度来代表半导体工艺的进步程度,这就是所谓的工艺线宽。闸极长度会随工艺技术的进步而变小,从早期的 0.18 微米、0.13 微米,进步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米,到目前最新工艺 10 奈米。当闸极长度愈小,则整个 MOSFET 就愈小,而同样含有数十亿个 MOSFET 的芯片就愈小,封装以后的集成电路就愈小,最后做出来的手机就愈小啰!。10 奈米到底有多小呢?细菌大约 1 微米,病毒大约 100 奈米,换句话说,人类现在的工艺技术可以制作出只有病毒 1/10(10 奈米)的结构,厉害吧!

注:工艺线宽其实就是闸极长度,只是图一看起来 10 奈米的闸极长度反而比较短,因此有人习惯把它叫做「线宽」。

FinFET 将半导体制程带入新境界

MOSFET 的结构自发明以来,到现在已使用超过 40 年,当闸极长度缩小到 20 奈米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有可能偷偷溜过去产生漏电(Leakage);另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与通道之间的接触面积(图一红色虚线区域)愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小,要如何才能保持闸极对通道的影响力(接触面积)呢?

因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了鳍式场效晶体管(Fin Field Effect Transistor,FinFET),把原本 2D 构造的 MOSFET 改为 3D 的 FinFET,如图二所示,因为构造很像鱼鳍 ,因此称为鳍式(Fin)。

图2

由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构,让源极和汲极之间的通道变成板状,则闸极与通道之间的接触面积变大了(图二黄色的氧化物与下方接触的区域明显比图一红色虚线区域还大),这样一来即使闸极长度缩小到 20 奈米以下,仍然保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到汲极,因此可以更妥善的控制电流,同时降低漏电和动态功率耗损,所谓动态功率耗损就是这个 FinFET 由状态 0 变 1 或由 1 变 0 时所消耗的电能,降低漏电和动态功率耗损就是可以更省电的意思啰!

掌握 FinFET 技术,就是掌握市场竞争力

简而言之,鳍式场效晶体管是闸极长度缩小到 20 奈米以下的关键,拥有这个技术的工艺与专利,才能确保未来在半导体市场上的竞争力,这也是让许多国际大厂趋之若骛的主因。值得一提的是,这个技术的发明人胡正明教授,就是梁孟松的博士论文指导教授,换句话说,梁孟松是这个技术的核心人物之一,台积电没有重用梁孟松来研发这个技术,致使他跳糟到三星电子,让三星电子的 FinFET 工艺技术在短短数年间突飞猛进甚至超越台积电,这才是未来台湾半导体晶圆代工产业最大的危机,虽然台积电控告梁孟松侵权与违反竞业禁止条款获得胜诉,但是内行人都知道这是赢了面子输了里子,所幸台积电在良率方面仍然领先三星,目前仍然具有优势。科技公司的人事安排、升迁、管理如何才能留住人才,值得国内相关的科技厂商做为借镜。


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