五分钟看懂FinFET_【E课网】

12月22日美籍华人科学家胡正明教授荣获美国年度国家技术和创新奖，要知道获得此奖的只有9个人！胡...

12月22日美籍华人科学家胡正明教授荣获美国年度国家技术和创新奖，要知道获得此奖的只有9个人！胡正明教授正式由于发明了FinFET这一使得摩尔定律得以延续的半导体新技术获得此奖的。

在今年的华为海思麒麟950的发布会上，胡正明教授曾现身VCR，据他介绍，FinFET的两个突破，一是把晶体做薄后解决了漏电问题，二是向上发展，晶片内构从水平变成垂直。

胡认为，FinFET的真正影响是打破了原来英特尔对全世界宣布的将来半导体的限制，这项技术现在仍看不到极限。

2010年后，Bulk CMOS工艺技术在20nm走到尽头，胡教授的FinFET和FD-SOI工艺发明得以使摩尔定律在今天延续传奇。

2015年，FinFET已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。

那么到底什么是FinFET？它的作用是什么？为什么让这么多国际大厂趋之若骛呢？请看下面对FinFET的讲解。

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（绿色）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 的工作原理与用途题

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”。

当闸极不加电压，电子无法导通，代表这个位是 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，是数码讯号的最小单位，一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1，就是电脑里的一个“位（bit）”。电脑是以 0 与 1 两种数码讯号来运算；我们可以想像在矽芯片上有数十亿个 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、闸极链接起来，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（Gate length）”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 纳米、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 的芯片就愈小，封装以后的集成电路就愈小，最后做出来的手机就愈小啰！。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，厉害吧！

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-Jae King-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）”。

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继续研发这个技术，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。