應用在AI、5G 的先進製程技術:鰭式場效電晶體(FinFET)

FinFET全面攻佔手機處理器,基本上10 奈米以下的電晶體都必須使用這種新型的結構,但到底什麼是「場效電晶體」(FET)?什麼又是「鰭式場效電晶體」呢?

撰文/曲建仲(知識力科技股份有限公司執行長)
轉載自《科學月刊》2018年1月第577期

在去(2017)年9 月底,中央通訊社報導,台積電宣佈 3 奈米新廠落腳臺南,並且比原先預估的時程提早約一年量產,這等於宣告台積電技術領先,對競爭者如三星、英特爾產生震懾作用,更可以給予大客戶信心。台積電不但技術領先,更將技術結合人工智慧(Artificial Intelligence,AI)、第五代行動通訊(fifth generation,5G)、雲端應用(cloud application), 對臺灣產業發展是絕佳助力。有關3奈米新廠建廠時間表與投資總金額,台積電表示,目前仍未定,初步規劃強效版7奈米製程將於2019年量產、5奈米製程預計 2020年量產、3奈米製程預計在2022年量產。

目前半導體製程技術已推進到10奈米,根據台積電董事長張忠謀的預估,3奈米技術會成功實現,但是2奈米則有不確定性,換句話說3奈米有可能是半導體終極先進技術,主要是因為目前使用的紫外光雷射光源與光罩曝光系統已經利用到了極限,台積電3奈米技術已經研發2至3年,對於成功量產很有把握,但是2奈米是否能夠成功則要再努力幾年才會知道,而2奈米以下已經到了紫外光的物理極限,因此就很困難了!

Apple 新推出的手機從第六代(iPhone 6s)開始內的A9應用處理器,就已經開始使用新的「鰭式場效電晶體」(FinFET),代表FinFET開始全面攻佔手機處理器,基本上10 奈米以下的電晶體都必須使用這種新型的結構,到底什麼是「場效電晶體」(FET)?什麼又是「鰭式場效電晶體」呢?

●什麼是場效電晶體?

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(黃色),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,再由右邊的汲極流出,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」。

圖一:MOSFET代表一個0或一個1,就是電腦裡的一個「位元」。

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(bit)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,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」。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、10奈米,到日前台積電宣佈正在開發中的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(IC)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!

●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?

因此美國加州大學柏克萊分校胡正明、金劉(Tsu-Jae King-Liu)、波科(Je­rey 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」。

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。

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10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)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!

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,也使得台積電成為臺灣少數具有國際競爭力的世界級高科技公司。

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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