【導讀】打開這一年來半導體最熱門的新聞,大概就屬FinFET了,到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國際大廠趨之若騖呢?
打開這一年來半導體最熱門的新聞,大概就屬FinFET了,例如:iPhone 6s內(nèi)新一代A9應用處理器采用新晶體管架構很可能為鰭式晶體管(FinFET),代表FinFET開始全面攻占手機處理器,三星與臺積電較勁,將10 奈米 FinFET 正式納入開發(fā)藍圖 、聯(lián)電攜 ARM,完成 14 奈米 FinFET 工藝測試。到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國際大廠趨之若騖呢?
什么是 FET?
FET 的全名是場效晶體管(Field Effect Transistor,F(xiàn)ET),先從大家較耳熟能詳?shù)腗OS來說明。MOS 的全名是金屬-氧化物-半導體場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET), 構造如圖一所示,左邊灰色的區(qū)域(硅)叫做源極(Source),右邊灰色的區(qū)域(硅)叫做汲極(Drain),中間有塊金屬(紅色)突出來叫做閘極(Gate),閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黃色),因為中間由上而下依序為金屬(Metal)、氧化物(Oxide)、半導體(Semiconductor),因此稱為MOS。
MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理很簡單,電子由左邊的源極流入,經(jīng)過閘極下方的電子信道,由右邊的汲極流出,中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過,有點像是水龍頭的開關一樣,因此稱為閘;電子是由源極流入,也就是電子的來源,因此稱為源;電子是由汲極流出,看看說文解字里的介紹:汲者,引水于井也,也就是由這里取出電子,因此稱為汲。
當閘極不加電壓,電子無法導通,代表這個位是 0,如圖一(a)所示;
·當閘極加正電壓,電子可以導通,代表這個位是 1,如圖一(b)所示。
MOSFET 是目前半導體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場效晶體管(FET),科學家將它制作在硅晶圓上,是數(shù)字訊號的最小單位,一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1,就是計算機里的一個位(bit)。計算機是以 0 與 1 兩種數(shù)字訊號來運算;我們可以想象在硅芯片上有數(shù)十億個 MOSFET,就代表數(shù)十億個 0 與 1,再用金屬導線將這數(shù)十億個 MOSFET 的源極、汲極、閘極鏈接起來,電子訊號在這數(shù)十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算,最后得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果,這就是計算機的基本工作原理。晶圓廠像臺積電、聯(lián)電,就是在硅晶圓上制作數(shù)十億個 MOSFET 的工廠。
閘極長度: 半導體制程進步的關鍵
在 MOSFET 中,閘極長度(Gate length)大約 10 奈米,是所有構造中最細小也最難制作的,因此我們常常以閘極長度來代表半導體工藝的進步程度,這就是所謂的工藝線寬。閘極長度會隨工藝技術的進步而變小,從早期的 0.18 微米、0.13 微米,進步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米,到目前最新工藝 10 奈米。當閘極長度愈小,則整個 MOSFET 就愈小,而同樣含有數(shù)十億個 MOSFET 的芯片就愈小,封裝以后的集成電路就愈小,最后做出來的手機就愈小啰!。10 奈米到底有多小呢?細菌大約 1 微米,病毒大約 100 奈米,換句話說,人類現(xiàn)在的工藝技術可以制作出只有病毒 1/10(10 奈米)的結構,厲害吧!
注:工藝線寬其實就是閘極長度,只是圖一看起來 10 奈米的閘極長度反而比較短,因此有人習慣把它叫做「線寬」。
FinFET 將半導體制程帶入新境界
MOSFET 的結構自發(fā)明以來,到現(xiàn)在已使用超過 40 年,當閘極長度縮小到 20 奈米以下的時候,遇到了許多問題,其中最麻煩的是當閘極長度愈小,源極和汲極的距離就愈近,閘極下方的氧化物也愈薄,電子有可能偷偷溜過去產(chǎn)生漏電(Leakage);另外一個更麻煩的問題,原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的,但是閘極長度愈小,則閘極與通道之間的接觸面積(圖一紅色虛線區(qū)域)愈小,也就是閘極對通道的影響力愈小,要如何才能保持閘極對通道的影響力(接觸面積)呢?
因此美國加州大學伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發(fā)明了鰭式場效晶體管(Fin Field Effect Transistor,F(xiàn)inFET),把原本 2D 構造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET,如圖二所示,因為構造很像魚鰭 ,因此稱為鰭式(Fin)。
由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結構,讓源極和汲極之間的通道變成板狀,則閘極與通道之間的接觸面積變大了(圖二黃色的氧化物與下方接觸的區(qū)域明顯比圖一紅色虛線區(qū)域還大),這樣一來即使閘極長度縮小到 20 奈米以下,仍然保留很大的接觸面積,可以控制電子是否能由源極流到汲極,因此可以更妥善的控制電流,同時降低漏電和動態(tài)功率耗損,所謂動態(tài)功率耗損就是這個 FinFET 由狀態(tài) 0 變 1 或由 1 變 0 時所消耗的電能,降低漏電和動態(tài)功率耗損就是可以更省電的意思啰!
掌握 FinFET 技術,就是掌握市場競爭力
簡而言之,鰭式場效晶體管是閘極長度縮小到 20 奈米以下的關鍵,擁有這個技術的工藝與專利,才能確保未來在半導體市場上的競爭力,這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因。值得一提的是,這個技術的發(fā)明人胡正明教授,就是梁孟松的博士論文指導教授,換句話說,梁孟松是這個技術的核心人物之一,臺積電沒有重用梁孟松來研發(fā)這個技術,致使他跳糟到三星電子,讓三星電子的 FinFET 工藝技術在短短數(shù)年間突飛猛進甚至超越臺積電,這才是未來臺灣半導體晶圓代工產(chǎn)業(yè)最大的危機,雖然臺積電控告梁孟松侵權與違反競業(yè)禁止條款獲得勝訴,但是內(nèi)行人都知道這是贏了面子輸了里子,所幸臺積電在良率方面仍然領先三星,目前仍然具有優(yōu)勢??萍脊镜娜耸掳才拧⑸w、管理如何才能留住人才,值得國內(nèi)相關的科技廠商做為借鏡。