詳解先進的半導體工藝之FinFET

FinFET稱為鰭式場效電晶體（FinField-EffectTransistor;FinFET）是一種新的互補式金氧半導體（CMOS）電晶體。閘長已可小於25奈米。該項技術的發明人是加州大學伯克利分校的胡正明教授。Fin是魚鰭的意思，FinFET命名根據電晶體的形狀與魚鰭的相似性。

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發明人

該項技術的發明人是加州大學伯克利分校的胡正明（ChenmingHu）教授。胡正明教授1968年在臺灣國立大學獲電子工程學士學位，1970年和1973年在伯克利大學獲得電子工程與計算機科學碩士和博士學位。現為美國工程院院士。2000年憑藉FinFET獲得美國國防部高級研究項目局最傑出技術成就獎 （DARPAMostOutstandingTechnicalAccomplishmentAward）。他研究的BSIM模型已成為電晶體模型的唯一國際標準，培養了100多名學生，許多學生已經成為這個領域的大牛，曾獲Berkeley的最高教學獎;於2001~2004年擔任臺積電的CTO。

胡正明（ChenmingHu）教授

FinFET的工作原理

FinFET 閘長已可小於25nm，未來預期可以進一步縮小至9nm，約是人類頭髮寬度的1萬分之1。由於在這種導體技術上的突破，未來晶片設計人員可望能夠將超級計算機設計成只有指甲般大小。FinFET源自於傳統標準的電晶體—場效電晶體（Field-EffectTransistor;FET）的一項創新設計。在傳統電晶體結構中，控制電流通過的閘門，只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開，屬於平面的架構。在FinFET的架構中，閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構，可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種設計可以大幅改善電路控制並減少漏電流（leakage），也可以大幅縮短電晶體的閘長。

發展狀態

在 2011年初，英特爾公司推出了商業化的FinFET，使用在其22nm節點的工藝上。從IntelCorei7-3770之後的22nm的處理器均使用了FinFET技術。由於FinFET具有功耗低，面積小的優點，臺灣積體電路製造股份有限公司（TSMC）等主要半導體代工已經開始計劃推出自己的 FinFET電晶體，為未來的移動處理器等提供更快，更省電的處理器。從2012年起，FinFET已經開始向20納米節點和14nm節點推進。

在所有的實際應用中，體矽和SOI晶圓具有類似的性能和成本;但是，由於體矽FinFET器件具有更大的工藝差異性而使得製造變得更具挑戰性。體矽晶圓加工的高差異性使其最終產品的性能變得不可預測。我們發現，兩種工藝方案具有類似的直流DC和交流AC特性。與SOIFinFET相比，PN結隔離 FinFET器件性能將會受到寄生電容增大5%～6%得影響。

採用PN結隔離的體矽FinFET器件的工藝流程

與此相反，對工藝差異性的比較表明，SOIFinFET器件可能具有更好的匹配特性。在SOI工藝中，「鰭」的高度和寬度可能更加容易控制，而體矽工藝則在製造和工藝控制方面面臨著更為嚴峻的挑戰。

SOIFinFET器件和PN結隔離體矽FinFET器件的差異性比較

SOIFinFET、體矽FinFET和平面電晶體的性能比較

在22nm技術節點階段，對提高器件密度的期望使得FinFET器件開始具有比平面技術更為實在的優勢。

首先，接觸柵極的節距必須按比例縮小到小於約束柵constraininggate的長度，也就是要小於所有高性能電晶體的溝道長度。FinFET器件本身所具有的短溝道性能優勢將可以進行上述的按比例縮小，而不會產生在平面電晶體中由於需要進行大面積溝道摻雜所引起的有害效應。

同時，對 SRAM位單元的期望已開始規定對每個獨立電晶體在差異性上的要求。未摻雜的體矽FinFET器件，正如大多數重點研究所關注的，是需要消除注入摻雜濃度的隨機波動（RDF）對器件差異性的影響，對於低工作電壓的高性能SRAM位單元來說，去除這種RDF可能是必需的。

SOIFinFET和PN結隔離體矽FinFET器件的成本對比

SOI和體矽FinFET器件的總成本之差（相對於總的晶圓製作成本）

SOIFinFET由於增加了基片的成本，使其總的器件成本有所增加。但在大批量生產中，這種基片成本的增量將在很大程度上能抵消由於體矽器件複雜工藝造成的成本增量。

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 20 納米以下的關鍵，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。值得一提的是，這個技術的發明人胡正明教授，就是梁孟松的博士論文指導教授，換句話說，梁孟松是這個技術的核心人物之一，臺積電沒有重用梁孟松繼續研發這個技術，致使他跳糟到三星電子，讓三星電子的 FinFET 製程技術在短短數年間突飛猛進甚至超越臺積電，這才是未來臺灣半導體晶圓代工產業最大的危機，雖然臺積電控告梁孟松侵權與違反競業禁止條款獲得勝訴，但是內行人都知道這是贏了面子輸了裡子，科技公司的人事安排、升遷、管理如何才能留住人才，值得國內相關的科技廠商做為借鏡。