帮你看懂已经全面攻占iPhone的FinFET

　　打开这一年来半导体最热门的新闻，大概就属FinFET了，例如：iPhone 6s内新一代A9应用处理器采用新晶体管架构很可能为鳍式晶体管（FinFET），代表FinFET开始全面攻占手机处理器，三星与台积电较劲，将10 奈米 FinFET 正式纳入开发蓝图 、联电携 ARM，完成 14 奈米 FinFET 工艺测试。到底什么是FinFET？它的作用是什么？为什么让这么多国际大厂趋之若骛呢？

　　什么是 FET？

　　FET 的全名是场效晶体管（Field Effect Transistor，FET），先从大家较耳熟能详的MOS来说明。MOS 的全名是金属－氧化物－半导体场效晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）， 构造如图一所示，左边灰色的区域（硅）叫做源极（Source），右边灰色的区域（硅）叫做汲极（Drain），中间有块金属（红色）突出来叫做闸极（Gate），闸极下方有一层厚度很薄的氧化物（黄色），因为中间由上而下依序为金属（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor），因此称为MOS。

　　MOSFET 的工作原理与用途

　　MOSFET 的工作原理很简单，电子由左边的源极流入，经过闸极下方的电子信道，由右边的汲极流出，中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过，有点像是水龙头的开关一样，因此称为闸；电子是由源极流入，也就是电子的来源，因此称为源；电子是由汲极流出，看看说文解字里的介绍：汲者，引水于井也，也就是由这里取出电子，因此称为汲。

　　·当闸极不加电压，电子无法导通，代表这个位是 0，如图一（a）所示；

　　·当闸极加正电压，电子可以导通，代表这个位是 1，如图一（b）所示。

　　MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效晶体管（FET），科学家将它制作在硅晶圆上，是数字讯号的最小单位，一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1，就是计算机里的一个位（bit）。计算机是以 0 与 1 两种数字讯号来运算；我们可以想象在硅芯片上有数十亿个 MOSFET，就代表数十亿个 0 与 1，再用金属导线将这数十亿个 MOSFET 的源极、汲极、闸极链接起来，电子讯号在这数十亿个 0 与 1 之间流通就可以交互运算，最后得到使用者想要的加、减、乘、除运算结果，这就是计算机的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电，就是在硅晶圆上制作数十亿个 MOSFET 的工厂。

　　闸极长度： 半导体制程进步的关键

　　在 MOSFET 中，闸极长度（Gate length）大约 10 奈米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此我们常常以闸极长度来代表半导体工艺的进步程度，这就是所谓的工艺线宽。闸极长度会随工艺技术的进步而变小，从早期的 0.18 微米、0.13 微米，进步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米，到目前最新工艺 10 奈米。当闸极长度愈小，则整个 MOSFET 就愈小，而同样含有数十亿个 MOSFET 的芯片就愈小，封装以后的集成电路就愈小，最后做出来的手机就愈小啰！。10 奈米到底有多小呢？细菌大约 1 微米，病毒大约 100 奈米，换句话说，人类现在的工艺技术可以制作出只有病毒 1/10（10 奈米）的结构，厉害吧！

　　注：工艺线宽其实就是闸极长度，只是图一看起来 10 奈米的闸极长度反而比较短，因此有人习惯把它叫做「线宽」。

　　FinFET 将半导体制程带入新境界

　　MOSFET 的结构自发明以来，到现在已使用超过 40 年，当闸极长度缩小到 20 奈米以下的时候，遇到了许多问题，其中最麻烦的是当闸极长度愈小，源极和汲极的距离就愈近，闸极下方的氧化物也愈薄，电子有可能偷偷溜过去产生漏电（Leakage）；另外一个更麻烦的问题，原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的，但是闸极长度愈小，则闸极与通道之间的接触面积（图一红色虚线区域）愈小，也就是闸极对通道的影响力愈小，要如何才能保持闸极对通道的影响力（接触面积）呢？

　　因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、 Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了鳍式场效晶体管（Fin Field Effect Transistor，FinFET），把原本 2D 构造的 MOSFET 改为 3D 的 FinFET，如图二所示，因为构造很像鱼鳍 ，因此称为鳍式（Fin）。

由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构，让源极和汲极之间的通道变成板状，则闸极与通道之间的接触面积变大了（图二黄色的氧化物与下方接触的区域明显比图一红色虚线区域还大），这样一来即使闸极长度缩小到 20 奈米以下，仍然保留很大的接触面积，可以控制电子是否能由源极流到汲极，因此可以更妥善的控制电流，同时降低漏电和动态功率耗损，所谓动态功率耗损就是这