五分钟让你看懂 FinFET及未来7nm制程

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1、五分钟让你看懂FinFET打开这一年来半导体最热门的新闻，大概就属FinFET了，例如：iPhone6s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（FieldEffectTransistor，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

2、－半导体场效电晶体（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，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（绿色）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

3、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，是数码讯号的最小单位，一个MOSFET代表一个0或一个1，就是电脑里的一个“位（bit）”。电脑

4、是以0与1两种数码讯号来运算；我们可以想像在矽芯片上有数十亿个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

5、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纳米、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，厉害吧！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，因此有人惯把它叫做“线宽”。FinFET将半导体制程带入新境界MOSFET

6、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、JeffreyBokor等三位教授发明了“鳍式场效电

7、晶体（FinFieldEffectTransistor，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

8、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