FinFET是什么？竟然全面攻占iPhone 6s
? FinFET，這個(gè)詞在近一年來(lái)占據(jù)半導(dǎo)體新聞?lì)^版頭條的頻率很高。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(kāi)始全面攻占手機(jī)處理器；三星與臺(tái)積電較勁，將10納米FinFET正式納入開(kāi)發(fā)藍(lán)圖；聯(lián)電攜ARM，完成14納米FinFET制程測(cè)試。 ? 到底什么是FinFET？它的作用是什么？為什么讓這么多國(guó)際大廠趨之若騖呢？ ? 什么是FET？ ? FET的全名是“場(chǎng)效電晶體（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）”，先從大家較耳熟能詳?shù)摹癕OS”來(lái)說(shuō)明。MOS的全名是“金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)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（紅色）突出來(lái)叫做“閘極（Gate）”，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物（黃色），因?yàn)橹虚g由上而下依序?yàn)榻饘伲∕etal）、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(jiǎn)單，電子由左邊的源極流入，經(jīng)過(guò)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(guò)，有點(diǎn)像是水龍頭的開(kāi)關(guān)一樣，因此稱為“閘”；電子是由源極流入，也就是電子的來(lái)源，因此稱為“源”；電子是由汲極流出，看看說(shuō)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”。?
MOSFET是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場(chǎng)效電晶體（FET），科學(xué)家將它制作在矽晶圓上，是數(shù)位訊號(hào)的最小單位，一個(gè)MOSFET代表一個(gè)0或一個(gè)1，就是電腦里的一個(gè)“位元（bit）”。電腦是以0與1兩種數(shù)位訊號(hào)來(lái)運(yùn)算；我們可以想像在矽晶片上有數(shù)十億個(gè)MOSFET，就代表數(shù)十億個(gè)0與1，再用金屬導(dǎo)線將這數(shù)十億個(gè)MOSFET的源極、汲極、閘極連結(jié)起來(lái)，電子訊號(hào)在這數(shù)十億個(gè)0與1之間流通就可以交互運(yùn)算，最后得到使用者想要的加、減、乘、除運(yùn)算結(jié)果，這就是電腦的基本工作原理。晶圓廠像臺(tái)積電、聯(lián)電，就是在矽晶圓上制作數(shù)十億個(gè)MOSFET的工廠。 ? 閘極長(zhǎng)度：半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵 ? 在MOSFET中，“閘極長(zhǎng)度（Gatelength）”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(zhǎng)度來(lái)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(zhǎng)度會(huì)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奈米、65納米、45納米、22納米，到目前最新制程10納米。當(dāng)閘極長(zhǎng)度愈小，則整個(gè)MOSFET就愈小，而同樣含有數(shù)十億個(gè)MOSFET的晶片就愈小，封裝以后的積體電路就愈小，最后做出來(lái)的手機(jī)就愈小。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(shuō)，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)。 ? 注：制程線寬其實(shí)就是閘極長(zhǎng)度，只是圖一看起來(lái)10納米的閘極長(zhǎng)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(lái)，到現(xiàn)在已使用超過(guò)40年，當(dāng)閘極長(zhǎng)度縮小到20納米以下的時(shí)候，遇到了許多問(wèn)題，其中最麻煩的是當(dāng)閘極長(zhǎng)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(guò)去產(chǎn)生“漏電（Leakage）”；另外一個(gè)更麻煩的問(wèn)題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來(lái)控制的，但是閘極長(zhǎng)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(duì)通道的影響力愈小，要如何才能保持閘極對(duì)通道的影響力（接觸面積）呢？ ? 因此美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校的三位教授發(fā)明了“鰭式場(chǎng)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?yàn)闃?gòu)造很像魚(yú)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(lái)即使閘極長(zhǎng)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(shí)降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損，所謂動(dòng)態(tài)功率耗損就是這個(gè)FinFET由狀態(tài)0變1或由1變0時(shí)所消耗的電能，降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損就是可以更省電的意思！ ? 掌握FinFET技術(shù)，就是掌握市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 ? 簡(jiǎn)而言之，鰭式場(chǎng)效電晶體是閘極長(zhǎng)度縮小到20納米以下的關(guān)鍵，擁有這個(gè)技術(shù)的制程與專利，才能確保未來(lái)在半導(dǎo)體市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，這也是讓許多國(guó)際大廠趨之若騖的主因。 ? ?