鳍式FET的来龙去脉详解

如果您一直在关注有关半导体工艺技术的最新消息，那么您或许已经了解到全球最尖端代工厂将生产采用FinFET新型晶体管结构作为基本芯片构建块的器件了。这些待产的芯片将采用统称为16/14nm的工艺节点。不过您或许要问，FinFET到底是什么？与标准晶体管有什么不同？会带来什么样的优势和挑战？

半导体制造技术的一项关键发明、当今2，920亿美元市值的半导体产业得以存在的一个关键因素就是Jean Hoerni于1950年代在飞兆半导体公司发明的平面工艺。平面工艺能实现更小型的晶体管，并将其安装在各种不同电路中，或者将它们高效连接在一起嵌入在平行面板上，而不必像印刷电路板上的分离式组件一样堆叠在一起。平面工艺实现了IC的极端小型化。随着平面工艺的实施，半导体可以分层内置或蚀刻在超纯晶圆片上。图1a显示的平面晶体管（其实是一个复杂的开关）包括3个主要特性：源极、栅极和漏极，它蚀刻并分层放置在芯片的基片上。图1b显示的是FinFET，请注意这里的栅极在三侧围绕信道，而平面晶体管上的栅极仅覆盖信道顶部。

源极是指电子进入晶体管的地方。根据栅电压，晶体管栅极在栅极下信道可以为开或关，类似于电灯开关的开启和关闭。如果栅极允许信号通过信道，那么漏极会移动电子到电路中的下一个晶体管。理想的晶体管在开启时能允许大量电流通过，而关闭时则应几乎不让任何电流通过，而且每秒会在开/关状态间切换数十亿次。切换速度是决定每个IC性能的基本参数。芯片设计公司将晶体管安排组织在各种电路中，再依次安排组织在功能模块（如处理器、存储器和逻辑块）中。这样，这些模块也能安排组织起来构成多种IC，实现多种神奇的电子设备功能，让我们受益匪浅。

自1960年代以来，半导体产业推出了一系列芯片创新技术，创新步伐与摩尔定律同步，也就是说每隔两年IC中的晶体管数量就会翻番。晶体管数量的翻番意味着今天的尖端IC包含数十亿个与二十世纪60年代芯片尺寸大小相同的晶体管，但运行速度呈指数级上升，功耗则呈指数级下降，电压为1.2V乃至更低。今天，晶体管非常微小，有些甚至只有几十个原子那么宽。

图1 –2D传统平面晶体管（a）和3DFinFET晶体管（b）的栅极位置不同

跟上摩尔定律的发展步伐

面对半导体的进一步发展似乎受现实物理条件限制的情况，业界一直在努力跟上摩尔定律的发展步伐。过去10多年来，工艺技术专家努力确保平面晶体管的电子完整性。简而言之，平面晶体管的源极、栅极和漏极都非常小，性能要求又极高，因此这些晶体管已经不足以控制其中电子的流动。电子可能会外泄，或者即便器件关闭也可能从漏极流出。

对手机等电池供电设备而言，这就意味着电池耗电速度加快，即便手机关机也会快速耗电。对AC供电设备而言（即使用墙上插头供电的电器），这就意味着设备会浪费电力，而且更容易发热。如果热量过高，又不采取制冷散热措施，就会缩短产品的使用寿命，因为漏电会产生热量，而热量又会增加漏电。当然，制冷也会对设备造成额外的成本。泄漏问题对130nm工艺节点的半导体是最显而易见的。在这个泄漏问题极其严重的时代，微软不得不因为过热问题召回全球的Xbox 360。泄漏问题也是微处理器企业不得不采用效率较低的多核处理器、而不能使用速度更快但热量高得多的单处理器架构的原因之一。