年輕人,一起挑戰三星、英特爾!專家:台積電兩年內訂單爆滿,是求職大機會

2021-02-22 06:40

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鰭式場效電晶體(FinFET):將半導體製程帶入新境界

MOSFET的結構發明以來到現在已使用超過四十年,當閘極長度縮小到20奈米以下的時候遇到了許多問題,其中最麻煩的就是當閘極長度愈小,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,則閘極與通道之間的接觸面積愈小,如圖三(a)綠色箭頭所示,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?

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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(FinFET:Fin Field Effect Transistor)」,把原本2D構造的MOSFET改為3D的FinFET,如圖三(b)綠色箭頭所示,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,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0變1或由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!

電晶體的演進過程。(圖片來源:曲博科技教室)
電晶體的演進過程。(圖片來源:曲博科技教室)

胡正明教授曾任台積電技術執行長,現在大家知道台積電為什麼在FinFET製程會領先英特爾和三星了吧!但是要記得,把FinFET的技術帶進台積電是一回事,要把良率做高是另外一回事,台積電領先英特爾和三星最明顯的還是良率,這個和晶圓材料的品質、特用化學品的純度、製程參數的控制等息息相關,是整個團隊共同努力的成果。(延伸閱讀:晶片龍頭只有英特爾?AMD和英偉達藉收購案發起挑戰)

這裡要特別注意,一般我們說的65、45奈米在MOSFET上是指「閘極長度」,但是到了14、10、7、5奈米在FinFET上指的其實是概念上的「平均長度」,只能當做是商品名稱,而不是真的閘極長度,這主要是因為FinFET電晶體的結構比較複雜,因此各家廠商都定義了各自不同的「平均長度」計算方式,所以當我們聽到英特爾、台積電、三星的「10奈米」製程,許多人都把它們當成同一個東西拿來比較,其實這樣比較是不正確的。

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