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半导体最热门新闻 鳍式电晶体（FinFET）

2015-10-30

一年来半导体最热门的新闻，大概就属FinFET了。什么是 FET？FET 的全名是“场效电晶体（Field Effect Transistor，FET）”，先从“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）”， 构造分“源极（Source）”， “汲极（Drain）”， “闸极（Gate）”，闸极下方有一层厚度很薄的氧化物，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 的工作原理是，电子由源极流入，经过闸极下方的电子通道，由汲极流出，中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过。当闸极不加电压，电子无法导通，代表这个位是 0；当闸极加正电压，电子可以导通，代表这个位是 1。MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体（FET），科学家将它制作在硅晶圆上，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（bit）”。电脑是以 0 与 1 两种数位讯号来运算；在硅芯片上有数十亿个 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。 　　在 MOSFET 中，“闸极长度（Gate length）”大约 10 奈米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此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 奈米、45 奈米、22 奈米，到目前最新制程 10 奈米。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，封装以后的积体电路就愈小。 　　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 奈米以下的时候，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？ 　　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，因为构造很像鱼鳍 ，因此称为“鳍式（Fin）”。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，这样一来即使闸极长度缩小到 20 奈米以下，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，就是可以更省电！ 　　简而言之，鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到 20 奈米以下的关键，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。

资料来源： technews