FinFET 工作原理:了解台積電半導體製程競爭力的關鍵

作者:HighTech   |   2018 / 12 / 10

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


場效電晶體(FET:Field Effect Transistor)

FET 的全名是「場效電晶體(FET:Field Effect Transistor)」,先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS 的全名是「金屬 -氧化物 -半導體場效電晶體(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)」, 構造如<圖一>所示,左邊灰色的區域(矽)叫做「源極(Source)」,右邊灰色的區域(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(黄色),因為中間由上而下依序為金屬(Metal)、氧化物(Oxide)、半導體(Semiconductor),因此稱為「MOS」。

 

圖一、MOSFET代表一個 0 或一個 1,就是電腦裡的一個「位元(bit)」

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,看看說文解字裡的介紹:汲者,引水于井也,也就是由這裡取出電子,因此稱為「汲」。

  • 當閘極不加電壓:電子無法導通,代表這個位元是 0,如<圖一(a)>所示;
  • 當閘極加正電壓:電子可以導通,代表這個位元是 1,如<圖一(b)>所示。

MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體(FET),科學家將它製作在矽晶圓上,是數位訊號的最小單位,一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1,就是電腦裡的一個「位元(bit)」。電腦是以 0 與 1 兩種數位訊號來運算;我們可以想像在矽晶片上有數十億個 MOSFET,就代表數十億個 0 與 1,再用金屬導線將這數十億個 MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來,電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算,最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果,這就是電子計算機(電腦)的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電,就是在矽晶圓上製作數十億個 MOSFET 的工廠。

閘極長度: 半導體製程進步的關鍵

在 MOSFET 中,「閘極長度(Gate length)」大約 10 奈米,是所有構造中最細小也最難製作的,因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度,這就是所謂的「製程線寬」。閘極長度會隨製程技術的進步而變小,從早期的 0.18 微米、0.13 微米,進步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米、10 奈米,到目前台積電正在開發的最新製程 7 奈米、5 奈米、3 奈米。

當閘極長度愈小,則整個 MOSFET 就愈小,而同樣含有數十億個 MOSFET 的晶片就愈小,封裝以後的積體電路就愈小,最後做出來的手機就愈小囉!10 奈米到底有多小呢?細菌大約 1 微米,病毒大約 100 奈米,換句話說,人類現在的製程技術可以製作出只有病毒 1/10(10 奈米)以下的結構,厲害吧!(註:製程線寬其實就是閘極長度,只是圖一看起來 10 奈米的閘極長度反而比較短,因此有人習慣把它叫做「線寬」。)

FinFET將 半導體製程帶入新境界

MOSFET 的結構自發明以來,到現在已使用超過四十年,當閘極長度縮小到 20 奈米以下的時候,遇到了許多問題,其中最麻煩的是當閘極長度愈小,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?

因此美國加州大學伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發明了「鰭式場效電晶體(FinFET:Fin Field Effect Transistor)」,把原本 2D 構造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET,如<圖二>所示,因為構造很像魚鰭 ,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構,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域明顯比圖一紅色虛線區域還大),這樣一來即使閘極長度縮小到 20 奈米以下,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功率耗損,所謂動態功率耗損就是這個 FinFET 由狀態 0 變 1 或由 1 變 0 時所消耗的電能,降低漏電和動態功率耗損就是可以更省電的意思囉!

 

圖二、FinFET就是把原本 2D 構造的源極和汲極拉高變成立體板狀結構

掌握 FinFET 技術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 10 奈米以下的關鍵,擁有這個技術的製程與專利,才能確保未來在半導體市場上的競爭力,這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因,而在過去幾年台積電與三星的競爭中,台積電幾乎是完勝三星,與台積電擁有成熟的鰭式場效電晶體(FinFET)製程與專利密不可分,也使得台積電成為台灣少數具有國際競爭力的世界級高科技公司。

知識力》授權轉載

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