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全面攻占iPhone的FinFET,如何看懂并掌握?

發(fā)布時(shí)間:2015-09-23 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】打開這一年來半導(dǎo)體最熱門的新聞,大概就屬FinFET了,到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國(guó)際大廠趨之若騖呢?
 
打開這一年來半導(dǎo)體最熱門的新聞,大概就屬FinFET了,例如:iPhone 6s內(nèi)新一代A9應(yīng)用處理器采用新晶體管架構(gòu)很可能為鰭式晶體管(FinFET),代表FinFET開始全面攻占手機(jī)處理器,三星與臺(tái)積電較勁,將10 奈米 FinFET 正式納入開發(fā)藍(lán)圖 、聯(lián)電攜 ARM,完成 14 奈米 FinFET 工藝測(cè)試。到底什么是FinFET?它的作用是什么?為什么讓這么多國(guó)際大廠趨之若騖呢?
 
什么是 FET?
 
FET 的全名是場(chǎng)效晶體管(Field Effect Transistor,F(xiàn)ET),先從大家較耳熟能詳?shù)腗OS來說明。MOS 的全名是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET), 構(gòu)造如圖一所示,左邊灰色的區(qū)域(硅)叫做源極(Source),右邊灰色的區(qū)域(硅)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(黃色),因?yàn)橹虚g由上而下依序?yàn)榻饘伲∕etal)、氧化物(Oxide)、半導(dǎo)體(Semiconductor),因此稱為MOS。
 
MOSFET 的工作原理與用途
 
MOSFET 的工作原理很簡(jiǎn)單,電子由左邊的源極流入,經(jīng)過閘極下方的電子信道,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(diǎn)像是水龍頭的開關(guān)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,看看說文解字里的介紹:汲者,引水于井也,也就是由這里取出電子,因此稱為汲。
MOSFET 的工作原理與用途
 
當(dāng)閘極不加電壓,電子無法導(dǎo)通,代表這個(gè)位是 0,如圖一(a)所示;
 
·當(dāng)閘極加正電壓,電子可以導(dǎo)通,代表這個(gè)位是 1,如圖一(b)所示。
 
MOSFET 是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場(chǎng)效晶體管(FET),科學(xué)家將它制作在硅晶圓上,是數(shù)字訊號(hào)的最小單位,一個(gè) MOSFET 代表一個(gè) 0 或一個(gè) 1,就是計(jì)算機(jī)里的一個(gè)位(bit)。計(jì)算機(jī)是以 0 與 1 兩種數(shù)字訊號(hào)來運(yùn)算;我們可以想象在硅芯片上有數(shù)十億個(gè) MOSFET,就代表數(shù)十億個(gè) 0 與 1,再用金屬導(dǎo)線將這數(shù)十億個(gè) MOSFET 的源極、汲極、閘極鏈接起來,電子訊號(hào)在這數(shù)十億個(gè) 0 與 1 之間流通就可以交互運(yùn)算,最后得到使用者想要的加、減、乘、除運(yùn)算結(jié)果,這就是計(jì)算機(jī)的基本工作原理。晶圓廠像臺(tái)積電、聯(lián)電,就是在硅晶圓上制作數(shù)十億個(gè) MOSFET 的工廠。
 
閘極長(zhǎng)度: 半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵
 
在 MOSFET 中,閘極長(zhǎng)度(Gate length)大約 10 奈米,是所有構(gòu)造中最細(xì)小也最難制作的,因此我們常常以閘極長(zhǎng)度來代表半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步程度,這就是所謂的工藝線寬。閘極長(zhǎng)度會(huì)隨工藝技術(shù)的進(jìn)步而變小,從早期的 0.18 微米、0.13 微米,進(jìn)步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米,到目前最新工藝 10 奈米。當(dāng)閘極長(zhǎng)度愈小,則整個(gè) MOSFET 就愈小,而同樣含有數(shù)十億個(gè) MOSFET 的芯片就愈小,封裝以后的集成電路就愈小,最后做出來的手機(jī)就愈小啰!。10 奈米到底有多小呢?細(xì)菌大約 1 微米,病毒大約 100 奈米,換句話說,人類現(xiàn)在的工藝技術(shù)可以制作出只有病毒 1/10(10 奈米)的結(jié)構(gòu),厲害吧!
 
注:工藝線寬其實(shí)就是閘極長(zhǎng)度,只是圖一看起來 10 奈米的閘極長(zhǎng)度反而比較短,因此有人習(xí)慣把它叫做「線寬」。
 
FinFET 將半導(dǎo)體制程帶入新境界
 
MOSFET 的結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來,到現(xiàn)在已使用超過 40 年,當(dāng)閘極長(zhǎng)度縮小到 20 奈米以下的時(shí)候,遇到了許多問題,其中最麻煩的是當(dāng)閘極長(zhǎng)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(chǎn)生漏電(Leakage);另外一個(gè)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(zhǎng)度愈小,則閘極與通道之間的接觸面積(圖一紅色虛線區(qū)域)愈小,也就是閘極對(duì)通道的影響力愈小,要如何才能保持閘極對(duì)通道的影響力(接觸面積)呢?
 
因此美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發(fā)明了鰭式場(chǎng)效晶體管(Fin Field Effect Transistor,F(xiàn)inFET),把原本 2D 構(gòu)造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET,如圖二所示,因?yàn)闃?gòu)造很像魚鰭 ,因此稱為鰭式(Fin)。
MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理與用途
由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結(jié)構(gòu),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(qū)域明顯比圖一紅色虛線區(qū)域還大),這樣一來即使閘極長(zhǎng)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(shí)降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損,所謂動(dòng)態(tài)功率耗損就是這個(gè) FinFET 由狀態(tài) 0 變 1 或由 1 變 0 時(shí)所消耗的電能,降低漏電和動(dòng)態(tài)功率耗損就是可以更省電的意思啰!
 
掌握 FinFET 技術(shù),就是掌握市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力
 
簡(jiǎn)而言之,鰭式場(chǎng)效晶體管是閘極長(zhǎng)度縮小到 20 奈米以下的關(guān)鍵,擁有這個(gè)技術(shù)的工藝與專利,才能確保未來在半導(dǎo)體市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,這也是讓許多國(guó)際大廠趨之若騖的主因。值得一提的是,這個(gè)技術(shù)的發(fā)明人胡正明教授,就是梁孟松的博士論文指導(dǎo)教授,換句話說,梁孟松是這個(gè)技術(shù)的核心人物之一,臺(tái)積電沒有重用梁孟松來研發(fā)這個(gè)技術(shù),致使他跳糟到三星電子,讓三星電子的 FinFET 工藝技術(shù)在短短數(shù)年間突飛猛進(jìn)甚至超越臺(tái)積電,這才是未來臺(tái)灣半導(dǎo)體晶圓代工產(chǎn)業(yè)最大的危機(jī),雖然臺(tái)積電控告梁孟松侵權(quán)與違反競(jìng)業(yè)禁止條款獲得勝訴,但是內(nèi)行人都知道這是贏了面子輸了里子,所幸臺(tái)積電在良率方面仍然領(lǐng)先三星,目前仍然具有優(yōu)勢(shì)??萍脊镜娜耸掳才?、升遷、管理如何才能留住人才,值得國(guó)內(nèi)相關(guān)的科技廠商做為借鏡。
 
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