FinFET:讓摩爾定律多活 20 年,還讓台積電成為半導體霸主的關鍵技術

FinFET
FinFET 結構

【為什麼我們要挑選這篇文章】1990 年代,半導體產業面臨 25 奈米的製程瓶頸,當時市場有不少聲音,認為摩爾定律即將終結。然而 FinFET 電晶體技術的出現,讓半導體產業突破瓶頸,進展到現在的 7 奈米、5 奈米製程技術,也讓台積電成為半導體霸主。FinFET 是什麼?研發 FinFET 的又是誰?(責任編輯:郭家宏)

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作者:新智元

上個世紀末,半導體工藝進化之路曾一度面臨停滯,摩爾定律遭受威脅。

直到 FinFET 電晶體技術的出現,才使得整個半導體產業突破了 20 nm 左右的限制。

提到 FinFET 技術,就不得不提到一個人。

他,就是胡正明,一個「拯救」摩爾定律的男人。

FinFET 改變電晶體結構,讓摩爾定律多活十幾年

幾十年來,半導體行業進步的背後存在著一條金科玉律,即「摩爾定律」—— 人類史上最偉大的「自我預言」。

摩爾定律表明:每隔 18 到 24 個月,封裝在微晶片上的電晶體數量便會增加一倍,晶片的性能也會隨之翻一番。

上世紀 90 年代中期,半導體業界普遍認為半導體製程工藝到 25 nm 時將出現瓶頸,製造技術將難以突破。

因為無法解決電晶體大規模整合到一定數量後的漏電問題,功耗將會隨之增高,這也使得業界普遍認為摩爾定律將逐漸失效。

當晶片製程達到極限時,必定會有科研人員思考製程技術的未來。

為什麼說,胡正明教授「拯救」了摩爾定律?

那還得從電晶體的原理說起。

我們都熟知中學物理電流開關結構,電晶體其實就像電流開關結構,只不過是用半導體材料做成的。

電晶體的左邊和右邊都是半導體,只有中間是金屬。

可以理解為左邊是電流開關結構的源極(Source),右邊是汲極(Drain),中間金屬是閘極(Gate)。

閘極用來控制從源極到汲極的「通電」,電流從源極到汲極形成了電腦的運算迴路。

電腦每次運算,都是上億個電晶體進行「電流運動」。

最初的電晶體結構是矩形的,源極、汲極和閘極這 3 個結構之間的接觸面,都是一個平面。

後來,製程技術不斷提升時,晶體管中閘極的寬度被擠壓的越來越小。

當這個閘極低於 20 nm 時,就會對電流失控,源極的電流會穿透柵極,直接到達汲極。

這可以說是晶片的「漏電」,讓晶片發熱量急劇上升。

如果我們解決不了這個漏電問題,就不能繼續朝著更高的製程走。

1999 年,胡正明教授帶領自己團隊發明了「FinFET 電晶體技術」,成功解決了當時困擾整個半導體界的電晶體漏電問題。

胡正明教授的 FinFET 解決方案就是「改變一下結構」。

透過改造電晶體的結構,把源極和汲極做成「直立」的樣子,然後讓閘極包圍住源極和汲極。

這樣就相當於增加了閘極和源極、汲極的接觸面積,加強了閘極的控制能力,避免了漏電現象。

因為這種結構長得像「魚鰭」,所以也被叫做鰭片結構。

看似很簡單,但是做起來的難度極高。畢竟晶體管的體積都是用奈米計算的,在這種精度上改變形狀,難度可想而知。

正因為解決了這個問題,胡正明教授一直被稱為「FinFET 之父」。

FinFET 技術不僅拯救了摩爾定律,同時也改變了整個半導體產業的發展方向,使得台積電、英特爾、AMD、NVIDIA、蘋果、華為、高通、三星等半導體產業的公司都受益於胡正明教授的發明。

FinFET 之父曾為台積電 CTO,獲 IEEE 最高榮譽獎

1947 年,「FinFET 之父」出生在北京豆芽菜胡同,後移居台灣,1968 年畢業於台灣大學電機工程系。

此後赴美國加州大學柏克萊分校留學,並獲得了碩士和博士學位。

胡正明教授表示,「自己當時並沒有身懷大志,只不過讀書不錯,便拿到了一個獎學金到柏克萊唸書。」

自 1976 年以來,他一直是加州大學柏克萊分校電氣工程和計算機系的教授。

他還投身產業界,曾擔任半導體製造商安霸的董事會成員,後來於 2001 – 2004 年又擔任台積電 CTO。

在學術方面,胡正明總共撰寫了 5 本書,發表了 900 多篇研究論文,並擁有 100 多項美國專利。

他在 1997 年當選美國的國家工程院院士,是微電子物理領域的學術先鋒。

胡正明還是 IEEE Fellow、中國科學院外籍院士,並且還是中國科學院微電子所、清華大學等院校的榮譽教授。

胡正明多次獲得過 IEEE 授予的榮譽獎項,2016 年入選矽谷工程師名人堂,並在當年由美國總統歐巴馬授予白宮國家技術創新獎。

FinFET 再進化!GAA 架構讓摩爾定律延續

近 20 年過去了,到了 7 nm 時代,我們在晶片製程路上越來越難,甚至到了舉步維艱的地步,FinFET 結構也無法突破物理極限。

在 7 nm 之後,每前進一步,不僅是在疊代光刻工藝,同時也是在挑戰物理極限。

從 2015 年,第一顆 7 nm 晶片問世那天起,摩爾定律「將死論」就一直縈繞在整個半導體產業。

因為電晶體突破 7 nm 時,漏電現象再次出現了。

科學家們就表示,FinFET 到了極限,又一次走到了路的盡頭。

時勢造英雄,GAA(gate-all-around,簡稱 GAA)架構的出現再次拯救了摩爾定律。

它的概念的提出也很早,比利時 IMEC Cor Claeys 博士及其研究團隊於 1990 年發表文章中提出。

閘極全環(GAA)是 FinFET 技術的演進,溝道由奈米線(nanowire)構成,其四面都被閘極圍繞,從而再度增強閘極對溝道的控制能力,有效減少漏電。

目前,IBM 宣佈最新的 2 nm 先進製程晶片便是採用了 GAA 架構。

GAA 技術的推進,的確在很大程度上推進半導體工藝,特別是先進製程上的發展。

但隨著製程技術越來越接近物理極限,想要把晶片繼續做薄做小,先進製程也並不是唯一的道路,材料、封裝等也都可以稱為突破的道路。

正如胡正明教授所說,「FinFET 證實了這個產業還有很多可以用我們的智慧來解決的問題,我還真是看不到半導體產業發展的極限。」

未來,半導體產業發展依然一片光明。

參考資料

網易》、《快科技》、《IT 之家

(本文經 新智元 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈台积电、英特尔因他成霸主!FinFET 晶体管技术让半导体产业大变天 〉;首圖來源:Wikimedia Commons CC Licensed。)

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