FinFET工艺简介

Ber_thaw99

FET 的全名是场效晶体管（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－半导体场效晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）， 构造如图一所示，左边灰色的区域（硅）叫做源极（Source），右边灰色的区域（硅）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。
1 H2 k8 a% H9 [, e0 V* s, s
5 ?: O, S0 f' j8 i+ f( [
1 L8 C( t, z- `0 KMOSFET 的工作原理与用途( X1 N. R& j! m/ \, S
5 x/ q1 m" k# z9 H

$ }& v! ]; m, D, p7 E! fMOSFET 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信道，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。8 f! n% i/ n1 }0 J! s: w. F

+ X5 q) b; h4 ^1 L

9 c6 J& I+ I3 a' j6 a0 R. H
·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；$ E( }; y3 y0 p3 o
# Q) i$ |, T) o3 M; r* |1 s
$ y6 E$ A1 D8 b, m5 q: p) a/ E, z9 w
·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。& {0 @/ {3 [2 G$ Q) o
3 |& ]; ?3 E  z" T4 I2 J  L+ @

MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效晶体管（FET），科学家将它制作在硅晶圆上，是数字讯号的最小单位，一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1，就是计算机里的一个位（bit）。计算机是以 0 与 1 两种数字讯号来运算；我们可以想象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，这就是计算机的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电，就是在硅晶圆上制作数十亿个 MOSFET 的工厂。

: y, }2 p* \9 c& N# U2 G. W; a
0 q# ?% Y" M1 S! T$ _" V2 @' V" k闸极长度： 半导体制程进步的关键7 X; p! R1 E- m& U9 ?% n8 ]& m% L
7 y1 Z5 Q$ U, S* ~. M* o3 L0 ~2 V
, P. g, ^) k4 A6 {) ^; F: j# q& y
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，因此我们常常以闸极长度来代表半导体工艺的进步程度，这就是所谓的工艺线宽。闸极长度会随工艺技术的进步而变小，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，到目前最新工艺 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，封装以后的集成电路就愈小，最后做出来的手机就愈小啰！。10 奈米到底有多小呢？细菌大约 1 微米，病毒大约 100 奈米，换句话说，人类现在的工艺技术可以制作出只有病毒 1/10（10 奈米）的结构，厉害吧！


6 Z3 s- h  h5 z  v注：工艺线宽其实就是闸极长度，只是图一看起来 10 奈米的闸极长度反而比较短，因此有人习惯把它叫做「线宽」。2 p! r) g; h2 K: N. s3 x- w2 y

$ l, i( t7 _* s8 O# j
7 {9 Q* }0 O; M! c9 l: uFinFET 将半导体制程带入新境界
; M. y: P0 A4 @( U4 O
6 l( f  k, @: N/ f& Q* v* L9 D" M
8 T+ i! j& Q/ ?- }; K5 B: }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？- D& L+ \8 v* u* U5 V3 ]- n# V' m
4 B# `1 S+ |9 V: \
9 y9 |" j! k( ?& V# b1 e% l3 b5 F5 S" i
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晶体管（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）。+ q5 s% I; {0 u3 L5 [
# A0 K( d; B: g2 M! x) @2 c5 D1 _
& x7 s4 |6 j2 r6 ^  z+ R" N
8 ^% A: p8 J+ v

2 c, j' ]! C0 Q* [, n& W
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 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，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！. V4 ?! c6 n* m+ b- V! j7 f1 e
) _6 E; U$ E9 w, y3 I
4 i# `3 J* J& b7 m1 z( u
掌握 FinFET 技术，就是掌握市场竞争力" s; c7 w  u! S1 C& V, J
) J+ k4 x. |8 S$ B3 A3 K
" z" w3 \* A: Y: P, m% W1 F- h: a9 R# f5 U4 a( L
% A7 s9 k8 ^& w简而言之，鳍式场效晶体管是闸极长度缩小到 20 奈米以下的关键，拥有这个技术的工艺与专利，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。
, T! b0 q9 w4 n" K3 \  Q9 I