2017年12月28日

應用在AI、5G 的先進製程技術:鰭式場效電晶體(FinFET)

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。


在去(2017)年9 月底,中央通訊社報導,台積電宣佈 3 奈米新廠落腳臺南,並且比原先預估的時程提早約一年量產,這等於宣告台積電技術領先,對競爭者如三星、英特爾產生震懾作用,更可以給予大客戶信心。台積電不但技術領先,更將技術結合人工智慧(Arti cial  ntelligence, AI)、第五代行動通訊(fifth hgeneration, 5G)、雲端應用(cloud application), 對臺灣產業發展是絕佳助力。有關3 奈米新廠建廠時間表與投資總金額,台積電表示,目前仍未定,初步規劃強效版 7 奈米製程將於 2019 年量產、5 奈米製程預計 2020 年量產、3 奈米製程預計在2022 年量產。

目前半導體製程技術已推進到 10 奈米,根據台積電董事長張忠謀的預估,3 奈米技術會成功實現,但是2奈米則有不確定性,換句話說3奈米有可能是半導體終極先進技術,主要是因為目前使用的紫外光雷射光源與光罩曝光系統已經利用到了極限,台積電3 奈米技術已經研發2~3 年,對於成功量產很有把握,但是2 奈米是否能夠成功則要再努力幾年才會知道,而2 奈米以下已經到了紫外光的物理極限,因此就很困難了!

Apple 新推出的手機從第六代(iPhone 6s)開始內的A9 應用處理器,就已經開始使用新的「鰭式場效電晶體(FinFET)」,代表FinFET 開始全面攻佔手機處理器,基本上10 奈米以下
的電晶體都必須使用這種新型的結構,到底什麼是「場效電晶體(FET)」?什麼又是「鰭式場效電晶體」呢?

什麼是場效電晶體?
FET 的全名是「場效電晶體(Field E ect Transistor, FET)」,先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS的全名是「金屬– 氧化物– 半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field E ect Transistor, MOSFET)」,構造如圖一所示,左邊灰色的區域(矽) 叫做「源極(source)」,右邊灰色的區域(矽)叫做「汲極(drain)」,中間有塊金屬(紅色)突出來叫做「閘極(gate)」,閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黃色),因為中間由上而下依序為金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor),因此稱為「MOS」。

圖一:MOSFET 代表一個0 或一個1,就是電腦裡的一個「位元」。

MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理很簡單,電子由左邊的源極流入,經過閘極下方的電子通道,再由右邊的汲極流出,中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過,有點像是水龍頭的開關一樣,因此稱為「閘」;電子是由源極流入,也就是電子的來源,因此稱為「源」;電子是由汲極流出,看看說文解字裡的介紹:汲者,引水于井也,也就是由這裡取出電子,因此稱為「汲」。

當閘極不加電壓,電子無法導通,代表這個元件處於「關(OFF)」的狀態,我們可以想像成這個位元(bit)是0,如圖一(a)所示;當閘極加正電壓,電子可以導通,代表這個元件處於「開(ON)」的狀態,我們可以想像成這個位元是1,如圖一(b)所示。

MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體,科學家將它製作在矽晶圓上,是數位訊號的最小單位,我們可以想像一個MOSFET 代表一個0 或一個1,就是電腦裡的一個「位元」。電腦是以0 與1 兩種數位訊號來運算;我們可以想像在矽晶片上有數十億個MOSFET,就代表數十億個0 與1,再用金屬導線將這數十億個MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來,電子訊號在這數十億個0 與1 之間流通就可以交互運算,最後得到使用者想要的加、減、乘、
除運算結果,這就是電子計算機(電腦)的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電,就是在矽晶圓上製作數十億個MOSFET 的工廠。......【更多內容請閱讀科學月刊第577期】



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