鰭式場效應晶體管之父

那是1995年。芯片技術(shù)一直遵循摩爾定律飛速發(fā)展，摩爾定律指出，由于晶體管的尺寸不斷縮小，芯片上晶體管的數(shù)量大約每兩年就會翻一番。

然而地平線似乎不再無限。的確，這是第一次，整個半導體行業(yè)都在悄然預言摩爾定律的終結(jié)。當一個關(guān)鍵晶體管的尺寸從350納米縮小到不足100納米時，這就暗示了黃金時代將結(jié)束。就連美國政府也憂心忡忡——美國國防部高級研究計劃局（DARPA）為此拉響了警報，并啟動了一項尋找新芯片技術(shù)的計劃。 當時就職于加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學的胡正明教授欣然接受了這一挑戰(zhàn)。他立即想到了一個方案（實際上是兩個解決方案），并在幾天后乘坐飛機的途中做出設(shè)計草圖。其中一個想法是，升高電流流過的通道，使其凸出芯片表面，成為鰭式場效應晶體管（FinFET）。該技術(shù)為他贏得了今年的IEEE榮譽勛章，“在半導體模型開發(fā)和應用方面成就卓越，特別是3D結(jié)構(gòu)設(shè)計，使摩爾定律又延續(xù)了幾十年?！?/p>

當然，F(xiàn)inFET的故事并不是在胡正明在飛機折疊餐桌上畫草圖的時候開始的。 事情最早始于中國臺灣，當時的胡正明還是個充滿好奇心的孩子，他會在爐臺上用海水做實驗，或是把鬧鐘拆卸開來又重新組裝上。臨近高中畢業(yè)時，他依然對科學充滿興趣，尤其是化學。但他并未選擇化學專業(yè)，而是申請了電氣工程專業(yè)。雖然當時他并不真正了解電氣工程師實際上是做什么的，但是電氣工程專業(yè)的錄取分數(shù)最高，這對他無疑是一個挑戰(zhàn)。

在大學的最后一年，胡正明發(fā)現(xiàn)了這個他后來將要撼動的行業(yè)，這要歸功于當時來自美國的客座教授弗蘭克?方（Frank Fang）。“那是1968年，”胡正明回憶道，“他告訴我們半導體將成為未來電視機的材料，電視機可以像照片一樣掛在墻上?！?/p>

在那個電子管電視機很笨重的年代，這句話引起了胡正明的注意。他決定將半導體作為自己未來的研究領(lǐng)域，并申請攻讀美國的研究生學位。1969年，他來到了伯克利，并在那里加入了一個研究小組，研究金屬氧化物半導體（MOS）晶體管。 根據(jù)他自己的回憶，由于半導體似乎太過簡單，他很快改變了研究方向，轉(zhuǎn)向研究光電路，在完成集成光學的博士論文之后去了麻省理工學院，繼續(xù)從事這一領(lǐng)域的研究。 直到發(fā)生1973年的“石油禁運”。“我覺得我要做點事情，做一些有意義、重要的事情，而不僅僅是寫論文。” 于是他轉(zhuǎn)而致力于開發(fā)用于地面的低成本太陽能電池——在當時，太陽能電池僅用于衛(wèi)星。1976年，他以教授的身份回到伯克利，計劃進行能源領(lǐng)域研究，包括混合動力汽車，這讓他重返半導體領(lǐng)域?！半妱悠囆枰唠妷?、大電流的半導體設(shè)備?！焙鹘忉屨f。

20世紀80年代初，重返半導體研究領(lǐng)域被證明是件好事。當時政府對能源研究的資助已近枯竭，但舊金山灣區(qū)的許多企業(yè)都支持半導體研究。胡正明認為，獲得轉(zhuǎn)讓合作經(jīng)費“并不困難”。他開始在距離伯克利不遠的硅谷投入時間，受一些企業(yè)的邀請，講授半導體設(shè)備的短期課程。1982年，他整個學術(shù)假期都在硅谷中心的圣克拉拉國家半導體公司度過。

“在工業(yè)界的工作對我產(chǎn)生了深遠的影響?！焙鞲锌?，“在學術(shù)界，我們只是彼此學習什么是重要的，感興趣的事情僅來自讀了一篇別人論文，覺得‘嘿，我可以做得比這更好’。而放眼工業(yè)界，我發(fā)現(xiàn)到處都是有趣的問題。”這樣的頓悟讓胡正明更加努力地研究晶體管的3D結(jié)構(gòu)。━━━━場效應晶體管有4個部分——1個源極、1個漏極、一個連接這兩者的導電通道和一個控制沿通道電流的柵極。由于這些器件被做得更小，人們開始注意到晶體管的性能隨著長期使用在改變。這一改變在短期測試中無法顯現(xiàn)，企業(yè)也很難預測。

1983年，胡正明讀到了IBM研究人員發(fā)表的一篇論文，其中就描述了這一挑戰(zhàn)。在美國國家半導體公司工作了一段時間后，他意識到缺乏長期可靠性可能會給行業(yè)帶來各種問題。如果沒有在基層一線的工作經(jīng)歷，他說：“我就不會知道這個問題的重要性，也就不會花費近10年的時間來研究它。”

胡正明決定接受這個挑戰(zhàn)，并和一群學生投入研究，開發(fā)出了熱載流子注入理論，用以預測MOS的可靠性。這是一個定量模型，描述設(shè)備在電子遷移時是如何退化的。隨后，他開始研究另一個可靠性問題，即氧化物隨時間分解的方式。隨著制造商將半導體的氧化物層越做越薄，這個問題也越來越受到關(guān)注。 胡正明告訴我們，這些研究需要他對晶體管內(nèi)部發(fā)生的情況有深入的了解。他的研究成果變成了后來的伯克利可靠性工具（BERT）和晶體管模型（BSIM）。BSIM成為了行業(yè)標準并一直沿用至今，現(xiàn)在胡正明仍在領(lǐng)導著模型定期更新的工作。 胡正明和他的學生們一直在研究晶體管的基本特性：它是如何工作、如何失效，以及如何隨時間變化的。直到20世紀90年代，當時，商用芯片還在繼續(xù)沿著摩爾定律預測的路徑發(fā)展。但是到了20世紀90年代中期，晶體管平均特征尺寸仍在350納米左右，進一步縮小尺寸的前景開始令人擔憂。據(jù)當時在IBM 研發(fā)部門工作的劉易斯?泰曼(Lewis Terman)回憶道：“當時覺得摩爾定律的終結(jié)就在眼前。” 主要問題是功率。隨著晶體管越來越小，它處于“關(guān)閉”狀態(tài)的漏電卻成為一個大問題。這種漏電會非常嚴重，增加甚至主導了芯片功耗。胡正明回憶說：“有些論文開始預測互補金屬氧化物半導體（CMOS）的摩爾定律將在100納米以下的時候終結(jié)，因為在某一時刻，每平方厘米的功耗甚至高過了火箭噴管?！焙鲝娬{(diào)：“業(yè)內(nèi)認定那場戰(zhàn)役注定失敗?！?但DARPA 并不打算放棄摩爾定律，希望資助有望突破這一障礙的研究，1995年中期，啟動了一項稱為“開啟25納米”計劃。胡正明表示：“我喜歡25納米的想法，它遠遠超出了業(yè)界的想象?！暴ォォォズ髡J為根本問題非常清晰——把通道做得非常窄，就可以阻止電子從柵極溜過。迄今為止，解決方案一直包括做薄柵極的氧化層，使柵極可以更好地控制通道，減少電流的泄漏。但胡正明在可靠性方面的研究表明，這種方法也可能接近極限：如果氧化層太薄，電子便會跳過氧化層進入硅襯底，形成另一個泄漏源。 胡正明馬上想到另外兩種解決方法。其中一個是在晶體管下面的硅中埋入一絕緣層，使電荷難以溜過柵極。這種設(shè)計后來被稱為全耗盡絕緣體上硅（FDSOI）。另一種方法是將窄通道像鯊魚鰭一樣在基片上方垂直延伸，柵極可以三面環(huán)繞通道，而不是僅在通道上方，從而讓柵極更好地控制電荷的流動。這種結(jié)構(gòu)被稱為FinFET，它另外一個優(yōu)勢是垂直利用空間，緩解2D平面上的擁塞，從而開啟了3D晶體管時代。 然而，沒有太多的時間向DARPA提交方案。他從加州大學伯克利分校的杰弗里?博科爾（Jeffrey Bokor）教授那里聽到了DARPA的資助計劃，博科爾教授是在與DARPA的一位項目主管一起沖浪時獲知這一消息的。胡正明很快會見了博科爾和另一位同事金智杰（Tsu Jae King），并表明團隊將在一周內(nèi)拿出一份方案。在一兩天后前往日本的途中，他畫出了這兩個設(shè)計的草圖，在下榻日本酒店后，胡正明將技術(shù)草圖連同說明一起傳真到了伯克利。研究小組提交了這份方案，DARPA隨后撥付了他們長達4年的研究經(jīng)費。 在以前的理論論文中也提及過類似于FinFET的概念。然而，胡正明及其團隊真實地做出了可生產(chǎn)的器件，并展示了如何設(shè)計將晶體管縮小至25納米甚至更小?！捌渌x過論文的人不認為這是一個解決方案，因為制作的難度非常大，也許可行，也許行不通。甚至就連論文作者也不再深究。但我的看法不同，我們說，我們要做這件事，不是為了多寫一篇論文，或多得一筆撥款，而是我們想幫助這個行業(yè)。我們覺得必須要延續(xù)摩爾定律。” “作為一名技術(shù)專家，”胡正明繼續(xù)說，“我們有責任確保這件事不會停止，因為一旦停止，我們就失去了最大的希望，沒有更大的能力來解決世界難題?！?“胡正明團隊沉著自信地開發(fā)出FinFET，源于他教授學生研究器件的方法?！彼^去的學生、現(xiàn)在伊利諾伊大學香檳分校的副教授愛麗斯?羅森鮑姆（Elyse Rosenbaum）說道，“他強調(diào)宏觀、定性的理解。在研究半導體器件時，有人把注意力集中在建立模型上，然后對3D網(wǎng)格中的所有的點進行數(shù)值求解。他教我們退一步，嘗試想象電場在器件的分布、潛在障礙的位置，當我們改變一個特定的維度時，電流會如何變化?！?/p>

胡正明認為對半導體器件特性的可視化是相當重要的，羅森鮑姆回憶起有一次，為了讓學生弄懂一個過程，他用自己孩子的培樂多玩具搭建了一個MOS晶體管特性的模型。

“這些東西看起來像是突如其來的發(fā)明，”他過去的學生、現(xiàn)任恩智浦半導體公司創(chuàng)新和先進技術(shù)部高級副總裁法里?阿薩達拉吉（Fari Assaderaghi）感嘆道，“但是他的團隊一直在研究理想設(shè)備的基本概念，從物理學的基本原理開始，由此構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)?！暴ォォォ?000年，在為期4年的資助結(jié)束時，胡正明及其團隊研制出可工作的器件并發(fā)表了他們的研究成果，立即引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注。然而，又經(jīng)過了漫長的10年，2011年英特爾公司才首次將FinFET的芯片投入生產(chǎn)線。為什么會這么久？ “它還沒有被打破，”胡正明解釋道，他指的是使半導體電路越來越緊湊的行業(yè)生產(chǎn)能力，“人們想象它很快會被打破，但你永遠無法修復還沒壞的東西?！?事實證明，DARPA的項目經(jīng)理很有先見之明，他們稱該項目為“開啟25納米”，而當半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到亞25納米幾何尺寸時，F(xiàn)inFET便開始發(fā)揮作用了。 與此同時，F(xiàn)DSOI技術(shù)也在不斷進步，今天還在行業(yè)中應用，尤其是光學和射頻設(shè)備。而FinFET在處理器行業(yè)中仍占主導地位。胡正明表示，他從不提倡用一種方法替代另一種方法。 在FinFET沉寂的幾年里，胡正明從伯克利離職3年，擔任臺灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）的首席技術(shù)官。他認為這是一個回報他啟蒙教育的機會。2004年他重新回到伯克利，繼續(xù)從事教學工作，研究新的節(jié)能半導體器件，全力支持BSIM。2009年，胡正明不再教授常規(guī)課程，但仍然以名譽退休教授的身份和研究生一起工作。

自從胡正明回到伯克利后，F(xiàn)inFET技術(shù)席卷了整個行業(yè)。盡管人們依舊還在預言摩爾定律的終結(jié)，但它并未止步于25納米。

“它的發(fā)展將逐漸放緩，但100年內(nèi)我們很難找到MOS半導體的替代品?！焙髡f。但這并沒有讓他感到悲觀。“改進電路密度、功耗和速度的方法有很多，我們可以期待半導體行業(yè)不斷地給人們提供越來越多有用、方便和便攜的設(shè)備。我們要有更多的創(chuàng)造力和足夠的信心?！?