打開這一年來半導(dǎo)體最熱門的新聞，大概就屬FinFET了,，例如：iPhone 6s內(nèi)新一代A9應(yīng)用處理器采用新電晶體架構(gòu)很可能為鰭式電晶體(FinFET),，代表FinFET開始全面攻占手機處理器,、三星與臺積電較勁,，將10 納米 FinFET 正式納入開發(fā)藍(lán)圖 ,、聯(lián)電攜 ARM,，完成 14 納米 FinFET 制程測試,。到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國際大廠趨之若騖呢?
什么是 FET?
FET 的全名是“場效電晶體(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)”,，先從大家較耳熟能詳?shù)摹癕OS”來說明,。MOS 的全名是“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)”,， 構(gòu)造如圖一所示,，左邊灰色的區(qū)域(矽)叫做“源極(Source)”，右邊灰色的區(qū)域(矽)叫做“汲極(Drain)”,，中間有塊金屬(綠色)突出來叫做 “閘極(Gate)”,，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黃色)，因為中間由上而下依序為金屬(Metal),、氧化物(Oxide)、半導(dǎo)體 (Semiconductor),，因此稱為“MOS”,。
MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入,，經(jīng)過閘極下方的電子通道,，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過,，有點像是水龍頭的開關(guān) 一樣,，因此稱為“閘”;電子是由源極流入，也就是電子的來源,，因此稱為“源”;電子是由汲極流出,，看看說文解字里的介紹：汲者，引水于井也,，也就是由這里 取出電子,，因此稱為“汲”。
當(dāng)閘極不加電壓,，電子無法導(dǎo)通,，代表這個位是 0,，如圖一(a)所示;
當(dāng)閘極加正電壓，電子可以導(dǎo)通,，代表這個位是 1,，如圖一(b)所示。
MOSFET 是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場效電晶體(FET),，科學(xué)家將它制作在矽晶圓上,，是數(shù)碼訊號的最小單位，一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1,，就是電腦里的一個“位(bit)”,。電腦是以 0 與 1 兩種數(shù)碼訊號來運算;我們可以想像在矽芯片上有數(shù)十億個 MOSFET，就代表數(shù)十億個 0 與 1,，再用金屬導(dǎo)線將這數(shù)十億個 MOSFET 的源極,、汲極、閘極鏈接起來,，電子訊號在這數(shù)十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算,，最后得到使用者想要的加、減,、乘,、除運算結(jié)果，這就是電腦的基本工作原理,。晶圓廠像臺積電,、聯(lián)電，就是在矽晶圓上制作數(shù)十億個 MOSFET 的工廠,。
閘極長度： 半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵
在 MOSFET 中,，“閘極長度(Gate length)”大約 10 納米，是所有構(gòu)造中最細(xì)小也最難制作的,，因此我們常常以閘極長度來代表半導(dǎo)體制程的進(jìn)步程度,，這就是所謂的“制程線寬”。閘極長度會隨制程技術(shù)的進(jìn)步而變 小,，從早期的 0.18 微米,、0.13 微米，進(jìn)步到 90 納米,、65 納米,、45 納米、22 納米,，到目前最新制程 10 納米,。當(dāng)閘極長度愈小，則整個 MOSFET 就愈小，而同樣含有數(shù)十億個 MOSFET 的芯片就愈小,，封裝以后的集成電路就愈小,，最后做出來的手機就愈小啰!。10 納米到底有多小呢?細(xì)菌大約 1 微米,，病毒大約 100 納米,，換句話說，人類現(xiàn)在的制程技術(shù)可以制作出只有病毒 1/10(10 納米)的結(jié)構(gòu),，厲害吧!
注：制程線寬其實就是閘極長度,，只是圖一看起來 10 納米的閘極長度反而比較短，因此有人習(xí)慣把它叫做“線寬”,。
FinFET 將半導(dǎo)體制程帶入新境界
MOSFET 的結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來,，到現(xiàn)在已使用超過 40 年，當(dāng)閘極長度縮小到 20 納米以下的時候,，遇到了許多問題,，其中最麻煩的是當(dāng)閘極長度愈小，源極和汲極的距離就愈近,，閘極下方的氧化物也愈薄,，電子有可能偷偷溜過去產(chǎn)生“漏電 (Leakage)”;另外一個更麻煩的問題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的,，但是閘極長度愈小,，則閘極與通道之間的接觸面積(圖一 紅色虛線區(qū)域)愈小，也就是閘極對通道的影響力愈小,，要如何才能保持閘極對通道的影響力(接觸面積)呢?
因此美國加州大學(xué)伯克萊分校胡正明,、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發(fā)明了“鰭式場效電晶體(Fin Field Effect Transistor,，F(xiàn)inFET)”,，把原本 2D 構(gòu)造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如圖二所示,，因為構(gòu)造很像魚鰭 ，因此稱為“鰭式(Fin)”,。
由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結(jié)構(gòu),，讓源極和汲極之間的通道變成板狀，則閘極與通道之間的接觸面積變大了(圖二黃色的氧化物 與下方接觸的區(qū)域明顯比圖一紅色虛線區(qū)域還大),，這樣一來即使閘極長度縮小到 20 納米以下,，仍然保留很大的接觸面積，可以控制電子是否能由源極流到汲極,，因此可以更妥善的控制電流,，同時降低漏電和動態(tài)功率耗損，所謂動態(tài)功率耗損就是這 個 FinFET 由狀態(tài) 0 變 1 或由 1 變 0 時所消耗的電能，降低漏電和動態(tài)功率耗損就是可以更省電的意思啰!
掌握 FinFET 技術(shù),，就是掌握市場競爭力
簡而言之,，鰭式場效電晶體是閘極長度縮小到 20 納米以下的關(guān)鍵，擁有這個技術(shù)的制程與專利,，才能確保未來在半導(dǎo)體市場上的競爭力,，這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因。值得一提的是,，這個技術(shù)的發(fā)明人 胡正明教授,，就是梁孟松的博士論文指導(dǎo)教授，換句話說,，梁孟松是這個技術(shù)的核心人物之一,，臺積電沒有重用梁孟松繼續(xù)研發(fā)這個技術(shù)，致使他跳糟到三星電子,， 讓三星電子的 FinFET 制程技術(shù)在短短數(shù)年間突飛猛進(jìn)甚至超越臺積電,，這才是未來臺灣半導(dǎo)體晶圓代工產(chǎn)業(yè)最大的危機，雖然臺積電控告梁孟松侵權(quán)與違反競業(yè)禁止條款獲得勝訴,，但是 內(nèi)行人都知道這是贏了面子輸了里子,，科技公司的人事安排、升遷,、管理如何才能留住人才,，值得國內(nèi)相關(guān)的科技廠商做為借鏡。