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FinFET全面攻占iPhone 五分钟让你看懂FinFET

人生能绕几个圈
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发布于 2015/09/16 20:23
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  OFweek电子工程网 讯 打开这一年来半导体最热门的新闻,大概就属FinFET了,例如:iPhone 6s内新一代A9应用处理器采用新电晶体架构很可能为鳍式电晶体(FinFET),代表FinFET开始全面攻占手机处理器、三星与台积电较劲,将10纳 米FinFET正式纳入开发蓝图、联电携ARM,完成14纳米FinFET制程测试。到底什么是FinFET?它的作用是什么?为什么让这么多国际大厂趋 之若骛呢?

  什么是FET?

  FET的全名是“场效电晶体(Field Effect Transistor,FET)”,先从大家较耳熟能详的“MOS”来说明。MOS的全名是“金属-氧化物-半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)”,构造如图一所示,左边灰色的区域(矽)叫做“源极(Source)”,右边灰色的区域(矽)叫做“汲极 (Drain)”,中间有块金属(红色)突出来叫做“闸极(Gate)”,闸极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),因为中间由上而下依序为金属 (Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为“MOS”。

  MOSFET的工作原理与用途

 MOSFET的工作原理很简单,电子由左边的源极流入,经过闸极下方的电子通道,由右边的汲极流出,中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过,有点像 是水龙头的开关一样,因此称为“闸”;电子是由源极流入,也就是电子的来源,因此称为“源”;电子是由汲极流出,看看说文解字里的介绍:汲者,引水于井 也,也就是由这里取出电子,因此称为“汲”。

FinFET全面攻占iPhone 五分钟让你看懂FinFET

  当闸极不加电压,电子无法导通,代表这个位元是0,如图一(a)所示;

  当闸极加正电压,电子可以导通,代表这个位元是1,如图一(b)所示。

 MOSFET是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体(FET),科学家将它制作在矽晶圆上,是数位讯号的最小单位,一个MOSFET代表一个0或一 个1,就是电脑里的一个“位元(bit)”。电脑是以0与1两种数位讯号来运算;我们可以想像在矽晶片上有数十亿个MOSFET,就代表数十亿个0与1, 再用金属导线将这数十亿个MOSFET的源极、汲极、闸极连结起来,电子讯号在这数十亿个0与1之间流通就可以交互运算,最后得到使用者想要的加、减、 乘、除运算结果,这就是电脑的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电,就是在矽晶圆上制作数十亿个MOSFET的工厂。

  闸极长度:半导体制程进步的关键

 在MOSFET中,“闸极长度(Gatelength)”大约10纳米,是所有构造中最细小也最难制作的,因此我们常常以闸极长度来代表半导体制程的进 步程度,这就是所谓的“制程线宽”。闸极长度会随制程技术的进步而变小,从早期的0.18微米、0.13微米,进步到90奈米、65纳米、45纳米、22 纳米,到目前最新制程10纳米。当闸极长度愈小,则整个MOSFET就愈小,而同样含有数十亿个MOSFET的晶片就愈小,封装以后的积体电路就愈小,最 后做出来的手机就愈小。10纳米到底有多小呢?细菌大约1微米,病毒大约100纳米,换句话说,人类现在的制程技术可以制作出只有病毒1/10(10纳 米)的结构。

  注:制程线宽其实就是闸极长度,只是图一看起来10纳米的闸极长度反而比较短,因此有人习惯把它叫做“线宽”。


  FinFET将半导体制程带入新境界

  MOSFET的结构自发明以来,到现在已使用超过 40年,当闸极长度缩小到20纳米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有 可能偷偷溜过去产生“漏电(Leakage)”;另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与 通道之间的接触面积(图一红色虚线区域)愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小,要如何才能保持闸极对通道的影响力(接触面积)呢?

  因此 美国加州大学伯克莱分校胡正明、Tsu-JaeKing-Liu、Jeffrey Bokor等三位教授发明了“鳍式场效电晶体(Fin Field Effect Transistor,FinFET)”,把原本2D构造的MOSFET改为3D的FinFET,如图二所示,因为构造很像鱼鳍,因此称为“鳍式 (Fin)”。

FinFET全面攻占iPhone 五分钟让你看懂FinFET

 由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构,让源极和汲极之间的通道变成板状,则闸极与通道之间的接触面积变大了(图二黄色的氧化物与下方接 触的区域明显比图一红色虚线区域还大),这样一来即使闸极长度缩小到20纳米以下,仍然保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到汲极,因此可以 更妥善的控制电流,同时降低漏电和动态功率耗损,所谓动态功率耗损就是这个FinFET由状态0变1或由1变0时所消耗的电能,降低漏电和动态功率耗损就 是可以更省电的意思啰!

  掌握FinFET技术,就是掌握市场竞争力

  简而言之,鳍 式场效电晶体是闸极长度缩小到20纳米以下的关键,拥有这个技术的制程与专利,才能确保未来在半导体市场上的竞争力,这也是让许多国际大厂趋之若骛的主 因。值得一提的是,这个技术的发明人胡正明教授,就是梁孟松的博士论文指导教授,换句话说,梁孟松是这个技术的核心人物之一,台积电没有重用梁孟松来研发 这个技术,致使他跳糟到三星电子,让三星电子的FinFET制程技术在短短数年间突飞猛进甚至超越台积电,这才是未来台湾半导体晶圆代工产业最大的危机, 虽然台积电控告梁孟松侵权与违反竞业禁止条款获得胜诉,但是内行人都知道这是赢了面子输了里子,科技公司的人事安排、升迁、管理如何才能留住人才,值得国 内相关的科技厂商做为借镜。

本文转载自:http://ee.ofweek.com/2015-09/ART-8420-2816-29004790.html

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