打開(kāi)這一年來(lái)半導(dǎo)體最熱門的新聞，大概就屬FinFET了，例如：iPhone 6s內(nèi)新一代A9應(yīng)用處理器采用新電晶體架構(gòu)很可能為鰭式電晶體(FinFET)，代表FinFET開(kāi)始全面攻占手機(jī)處理器、三星與臺(tái)積電較勁，將10 納米 FinFET 正式納入開(kāi)發(fā)藍(lán)圖 、聯(lián)電攜 ARM，完成 14 納米 FinFET 制程測(cè)試。到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國(guó)際大廠趨之若騖呢?
什么是 FET?
FET 的全名是“場(chǎng)效電晶體(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)”，先從大家較耳熟能詳?shù)摹癕OS”來(lái)說(shuō)明。MOS 的全名是“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)”， 構(gòu)造如圖一所示，左邊灰色的區(qū)域(矽)叫做“源極(Source)”，右邊灰色的區(qū)域(矽)叫做“汲極(Drain)”，中間有塊金屬(綠色)突出來(lái)叫做 “閘極(Gate)”，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黃色)，因?yàn)橹虚g由上而下依序?yàn)榻饘?Metal)、氧化物(Oxide)、半導(dǎo)體 (Semiconductor)，因此稱為“MOS”。
MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理很簡(jiǎn)單，電子由左邊的源極流入，經(jīng)過(guò)閘極下方的電子通道，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(guò)，有點(diǎn)像是水龍頭的開(kāi)關(guān) 一樣，因此稱為“閘”;電子是由源極流入，也就是電子的來(lái)源，因此稱為“源”;電子是由汲極流出，看看說(shuō)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(dāng)閘極不加電壓，電子無(wú)法導(dǎo)通，代表這個(gè)位是 0，如圖一(a)所示;
當(dāng)閘極加正電壓，電子可以導(dǎo)通，代表這個(gè)位是 1，如圖一(b)所示。
MOSFET 是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場(chǎng)效電晶體(FET)，科學(xué)家將它制作在矽晶圓上，是數(shù)碼訊號(hào)的最小單位，一個(gè) MOSFET 代表一個(gè) 0 或一個(gè) 1，就是電腦里的一個(gè)“位(bit)”。電腦是以 0 與 1 兩種數(shù)碼訊號(hào)來(lái)運(yùn)算;我們可以想像在矽芯片上有數(shù)十億個(gè) MOSFET，就代表數(shù)十億個(gè) 0 與 1，再用金屬導(dǎo)線將這數(shù)十億個(gè) MOSFET 的源極、汲極、閘極鏈接起來(lái)，電子訊號(hào)在這數(shù)十億個(gè) 0 與 1 之間流通就可以交互運(yùn)算，最后得到使用者想要的加、減、乘、除運(yùn)算結(jié)果，這就是電腦的基本工作原理。晶圓廠像臺(tái)積電、聯(lián)電，就是在矽晶圓上制作數(shù)十億個(gè) MOSFET 的工廠。
閘極長(zhǎng)度： 半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵
在 MOSFET 中，“閘極長(zhǎng)度(Gate length)”大約 10 納米，是所有構(gòu)造中最細(xì)小也最難制作的，因此我們常常以閘極長(zhǎng)度來(lái)代表半導(dǎo)體制程的進(jìn)步程度，這就是所謂的“制程線寬”。閘極長(zhǎng)度會(huì)隨制程技術(shù)的進(jìn)步而變 小，從早期的 0.18 微米、0.13 微米，進(jìn)步到 90 納米、65 納米、45 納米、22 納米，到目前最新制程 10 納米。當(dāng)閘極長(zhǎng)度愈小，則整個(gè) MOSFET 就愈小，而同樣含有數(shù)十億個(gè) MOSFET 的芯片就愈小，封裝以后的集成電路就愈小，最后做出來(lái)的手機(jī)就愈小啰!。10 納米到底有多小呢?細(xì)菌大約 1 微米，病毒大約 100 納米，換句話說(shuō)，人類現(xiàn)在的制程技術(shù)可以制作出只有病毒 1/10(10 納米)的結(jié)構(gòu)，厲害吧!
注：制程線寬其實(shí)就是閘極長(zhǎng)度，只是圖一看起來(lái) 10 納米的閘極長(zhǎng)度反而比較短，因此有人習(xí)慣把它叫做“線寬”。
FinFET 將半導(dǎo)體制程帶入新境界
MOSFET 的結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來(lái)，到現(xiàn)在已使用超過(guò) 40 年，當(dāng)閘極長(zhǎng)度縮小到 20 納米以下的時(shí)候，遇到了許多問(wèn)題，其中最麻煩的是當(dāng)閘極長(zhǎng)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(guò)去產(chǎn)生“漏電 (Leakage)”;另外一個(gè)更麻煩的問(wèn)題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來(lái)控制的，但是閘極長(zhǎng)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(duì)通道的影響力愈小，要如何才能保持閘極對(duì)通道的影響力(接觸面積)呢?
因此美國(guó)加州大學(xué)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(chǎng)效電晶體(Fin Field Effect Transistor，F(xiàn)inFET)”，把原本 2D 構(gòu)造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如圖二所示，因?yàn)闃?gòu)造很像魚(yú)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(jié)構(gòu)，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(lái)即使閘極長(zhǎng)度縮小到 20 納米以下，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(shí)降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損，所謂動(dòng)態(tài)功率耗損就是這 個(gè) FinFET 由狀態(tài) 0 變 1 或由 1 變 0 時(shí)所消耗的電能，降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損就是可以更省電的意思啰!
掌握 FinFET 技術(shù)，就是掌握市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力
簡(jiǎn)而言之，鰭式場(chǎng)效電晶體是閘極長(zhǎng)度縮小到 20 納米以下的關(guān)鍵，擁有這個(gè)技術(shù)的制程與專利，才能確保未來(lái)在半導(dǎo)體市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，這也是讓許多國(guó)際大廠趨之若騖的主因。值得一提的是，這個(gè)技術(shù)的發(fā)明人 胡正明教授，就是梁孟松的博士論文指導(dǎo)教授，換句話說(shuō)，梁孟松是這個(gè)技術(shù)的核心人物之一，臺(tái)積電沒(méi)有重用梁孟松繼續(xù)研發(fā)這個(gè)技術(shù)，致使他跳糟到三星電子， 讓三星電子的 FinFET 制程技術(shù)在短短數(shù)年間突飛猛進(jìn)甚至超越臺(tái)積電，這才是未來(lái)臺(tái)灣半導(dǎo)體晶圓代工產(chǎn)業(yè)最大的危機(jī)，雖然臺(tái)積電控告梁孟松侵權(quán)與違反競(jìng)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，科技公司的人事安排、升遷、管理如何才能留住人才，值得國(guó)內(nèi)相關(guān)的科技廠商做為借鏡。