幫你看懂已經(jīng)全面攻占iPhone的FinFET

　　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(gòu)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(gòu)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(guān)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(jié)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(guān)鍵

　　在 MOSFET 中，閘極長度（Gate length）大約 10 奈米，是所有構(gòu)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(shù)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(shù)可以制作出只有病毒 1/10（10 奈米）的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(gòu)造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如圖二所示，因為構(gòu)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(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(shù)，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(guān)鍵，擁有這個技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，致使他跳糟到三星電子，讓三星電子的 FinFET 工藝技術(shù)在短短數(shù)年間突飛猛進甚至超越臺積電，這才是未來***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(quán)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(lǐng)先三星，目前仍然具有優(yōu)勢。科技公司的人事安排、升遷、管理如何才能留住人才，值得國內(nèi)相關(guān)的科技廠商做為借鏡。