什么是FET？FinFET將半導(dǎo)體制程帶入新境界

什么是FET？

FET 的全名是“場效電晶體（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）”，先從大家較耳熟能詳?shù)摹癕OS”來說明。MOS 的全名是“金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效電晶體（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(dǎo)體（Semiconductor），因此稱為“MOS”。

MOSFET的工作原理與用途

MOSFET 的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入，經(jīng)過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，有點(diǎn)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(dāng)閘極不加電壓，電子無法導(dǎo)通，代表這個位是 0；當(dāng)閘極加正電壓，電子可以導(dǎo)通，代表這個位是 1。

MOSFET 是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場效電晶體（FET），科學(xué)家將它制作在矽晶圓上，是數(shù)碼訊號的最小單位，一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1，就是電腦里的一個“位（bit）”。電腦是以 0 與 1 兩種數(shù)碼訊號來運(yùn)算；我們可以想像在矽芯片上有數(shù)十億個 MOSFET，就代表數(shù)十億個 0 與 1，再用金屬導(dǎo)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(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。晶圓廠像臺積電、聯(lián)電，就是在矽晶圓上制作數(shù)十億個 MOSFET 的工廠。

閘極長度：半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵

在 MOSFET 中，“閘極長度（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度來代表半導(dǎo)體制程的進(jìn)步程度，這就是所謂的“制程線寬”。閘極長度會隨制程技術(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(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，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：制程線寬其實就是閘極長度，只是圖一看起來 10 納米的閘極長度反而比較短，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，到現(xiàn)在已使用超過 40 年，當(dāng)閘極長度縮小到 20 納米以下的時候，遇到了許多問題，其中最麻煩的是當(dāng)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(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，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，這樣一來即使閘極長度縮小到 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！