FinFET全面攻占iPhone 五分钟让你看懂FinFET

　　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”。

　　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）”。

　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。