【半導體科普】細看晶圓代工之爭，奈米製程是什麼？

最近，三星以及台積電在先進半導體製程打得相當火熱，彼此都想要在晶圓代工中搶得先機以爭取訂單，幾乎成了 14 奈米與 16 奈米之爭，然而 14 奈米與 16 奈米這兩個數字的究竟意義為何，指的又是哪個部位？而在縮小製程後又將來帶來什麼好處與難題？以下我們將就奈米製程做簡單的說明。

奈米到底有多細微？

在開始之前，要先了解奈米究竟是什麼意思。在數學上，奈米是 0.000000001 公尺，但這是個相當差的例子，畢竟我們只看得到小數點後有很多個零，卻沒有實際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話，或許會比較明顯。

用尺規實際測量的話可以得知指甲的厚度約為 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是說試著把一片指甲的側面切成 10 萬條線，每條線就約等同於 1 奈米，由此可略為想像得到 1 奈米是何等的微小了。

知道奈米有多小之後，還要理解縮小製程的用意，縮小電晶體的最主要目的，就是可以在更小的晶片中塞入更多的電晶體，讓晶片不會因技術提升而變得更大；其次，可以增加處理器的運算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最後，晶片體積縮小後，更容易塞入行動裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

再回來探究奈米製程是什麼，以 14 奈米為例，其製程是指在晶片中，線最小可以做到 14 奈米的尺寸，下圖為傳統電晶體的長相，以此作為例子。縮小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量，然而要縮小哪個部分才能達到這個目的？左下圖中的 L 就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度，電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端（有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋，會有更詳細的解釋）。

（Source：www.slideshare.net）

此外，電腦是以 0 和 1 作運算，要如何以電晶體滿足這個目的呢？做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在 Gate 端（綠色的方塊）做電壓供給，電流就會從 Drain 端到 Source 端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，這樣就可以表示 1 和 0。（至於為什麼要用 0 和 1 作判斷，有興趣的話可以去查布林代數，我們是使用這個方法作成電腦的）

尺寸縮小有其物理限制

不過，製程並不能無限制的縮小，當我們將電晶體縮小到 20 奈米左右時，就會遇到量子物理中的問題，讓電晶體有漏電的現象，抵銷縮小 L 時獲得的效益。作為改善方式，就是導入 FinFET（Tri-Gate）這個概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導入這個技術，能減少因物理現象所導致的漏電現象。

（Source：www.slideshare.net）

更重要的是，藉由這個方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統的做法中（左上圖），接觸面只有一個平面，但是採用 FinFET（Tri-Gate）這個技術後，接觸面將變成立體，可以輕易的增加接觸面積，這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小，對縮小尺寸有相當大的幫助。

最後，則是為什麼會有人說各大廠進入 10 奈米製程將面臨相當嚴峻的挑戰，主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 奈米，在 10 奈米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在製作上相當困難，而且只要有一個原子的缺陷，像是在製作過程中有原子掉出或是有雜質，就會產生不知名的現象，影響產品的良率。

如果無法想像這個難度，可以做個小實驗。在桌上用 100 個小珠子排成一個 10×10 的正方形，並且剪裁一張紙蓋在珠子上，接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉，最後使他形成一個 10×5 的長方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達成這個目標究竟是多麼艱鉅。

隨著三星以及台積電在近期將完成 14 奈米、16 奈米 FinFET 的量產，兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 晶片代工，我們將看到相當精彩的商業競爭，同時也將獲得更加省電、輕薄的手機，要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。

（首圖來源：Flickr/Santi CC BY 2.0）