台積電、英特爾因他成霸主 FinFET晶體管技術讓半導體產業大變天

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晶體管技術的出現,才使得整個半導體產業突破了20nm左右的限制。提到FinEFT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。

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FinFET 給“摩爾定律”續命十幾年

幾十年來,半導體行業進步的背後存在着一條金科玉律,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 18~24 個月,封裝在微芯片上的晶體管數量便會增加一倍,芯片的性能也會隨之翻一番。

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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25nm時將出現瓶頸,製造技術將難以突破。

因為無法解決晶體管大規模集成到一定數量后的漏電問題,功耗將會隨之非常高,這也使得業界普遍認為摩爾定律將逐漸失效。

當芯片製程達到極限時,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?

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那還得從晶體管的原理說起。

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

晶體管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),右邊是漏極(Drain),中間金屬是柵極(Gate)。

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柵極用來控制從源極到漏極的“通電”,電流從源極到漏極形成了計算機的計算迴路。

計算機每次運算,都是上億個晶體管的進行“電流運動”。

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最初的晶體管結構是矩形的,源極、漏極和柵極這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,晶體管中柵極的寬度被擠壓的越來越小。

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當這個柵極低於20nm時,就會對電流失控,源極的電流會穿透柵極,直接到達漏極。

這可以說是芯片的“漏電”,讓芯片發熱量急劇上升。

如果我們解決不了這個漏電問題,就不能繼續朝着更高的製程走。

1999年,胡正明教授帶領自己團隊發明了“FinFET晶體管技術”,成功解決了當時困擾整個半導體界的晶體管漏電問題。

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胡正明教授的FinFET解決方案就是,改變一下結構。

通過改造晶體管的結構,把源極和漏極做成“直立”的樣子,然後讓柵極包圍住源極和漏極。

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這樣就相當於增加了柵極和源極、漏極的接觸面積,加強了柵極的控制能力,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納米計算的,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行業的發展方向,使得台積電、英特爾、AMD、英偉達、蘋果、華為、高通、三星等半導體行業的公司都受益於胡正明教授的發明。

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台積電前CTO,美國院士,獲IEEE最高榮譽獎

1947年,“FinFET之父”出生在北京豆芽菜衚衕,后移居台灣,1968年畢業於台灣大學電機工程系。

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此後赴美國加州大學伯克利分校留學,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伯克利念書。”

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自1976年以來,他一直是加州大學伯克利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。

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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年入選硅谷工程師名人堂,並在當年由美國總統奧巴馬授予白宮國家技術創新獎。

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目前發展到哪?

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

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在7nm之後,每前進一步,不僅是在迭代光刻工藝,同時也是在挑戰物理極限。

從2015年,第一顆7nm芯片問世那天起,摩爾定律“將死論”就一直縈繞在整個半導體行業。

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因為晶體管突破7nm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。

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全環繞柵(GAA)是FinFET技術的演進,溝道由納米線(nanowire)構成,其四面都被柵極圍繞,從而再度增強柵極對溝道的控制能力,有效減少漏電。

目前,IBM宣布最新的2nm先進製程芯片便是採用了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。

但隨着製程技術越來越接近物理極限,想要把芯片繼續做薄做小,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。