FinFET 全面攻佔 iPhone！五分鐘讓你看懂 FinFET

打開這一年來半導體最熱門的新聞，大概就屬FinFET了，例如：iPhone 6s內新一代A9應用處理器採用新電晶體架構很可能為鰭式電晶體（FinFET），代表FinFET開始全面攻佔手機處理器、三星與台積電較勁，將10 奈米 FinFET 正式納入開發藍圖、聯電攜 ARM，完成 14 奈米 FinFET 製程測試。到底什麼是FinFET？它的作用是什麼？為什麼讓這麼多國際大廠趨之若騖呢，連大家手上拿的 iPhone 都淪陷了呢？

什麼是 FET？

FET 的全名是「場效電晶體（Field Effect Transistor，FET）」，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（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）」，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（紅色）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」。

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，引水於井也，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，代表這個元件處於「關（OFF）」的狀態，我們可以想像成這個位元是 0，如圖一（a）所示；
當閘極加正電壓，電子可以導通，代表這個元件處於「開（ON）」的狀態，我們可以想像成這個位元是 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，我們可以想像一個 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

在圖一的 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，到目前最新製程 10 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）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 40 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，則閘極與下方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（Fin Field Effect Transistor，FinFET）」，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 由狀態關變開（0變1）或開變關（1變0）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！

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 20 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。值得一提的是，這個技術的發明人胡正明教授，就是梁孟松的博士論文指導教授，換句話說，梁孟松是這個技術的核心人物之一，台積電沒有重用梁孟松來研發這個技術，致使他跳糟到三星電子，讓三星電子的 FinFET 製程技術在短短數年間突飛猛進甚至超越台積電，這才是未來台灣半導體晶圓代工產業最大的危機，雖然台積電控告梁孟松侵權與違反競業禁止條款獲得勝訴，但是內行人都知道這是贏了面子輸了裡子，所幸台積電在良率方面仍然領先三星，目前仍然具有優勢。科技公司的人事安排、升遷、管理如何才能留住人才，值得國內相關的科技廠商做為借鏡。

（首圖來源：達志影像）