五分钟让你看懂 FinFET及未来7nm制程.doc

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-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”。闸极长度会随制程技术的进步而变小,、,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