FinFET-摩爾定律的救世主
日期：2021/03/04
文：B.H.Huang / 校稿: Y.C.Lo
閱讀程度：簡單
閱讀時間：7 min
FinFET，大概是半導體領域這十年來最火紅的關鍵字之一，也是影響這二十年來電子產品能夠不斷進步、推陳出新的重要原因，而近年來 FinFET 更是讓台積電能夠一躍成為世界霸主、站穩全球半導體供應鏈的關鍵技術，今天我們就來認識一下究竟 FinFET 是什麼，它又有什麼能耐可以左右半導體世界的板塊呢？
話說在 FinFET 前 - MOSFET
在我們認識FinFET前，不妨先了解一下傳統的 MOSFET 電晶體是什麼。在《三分鐘搞懂半導體》裡我們曾提到電晶體就是晶片裡一個又一個的開關、控制著電子設備中所有的二進位訊號，我們可以大略把 MOSFET 電晶體想像成水龍頭，當我們打開上面的開關(Gate)時，水會從供水的源頭(Source)，經過管身(Channel)，再從水龍頭出口(Drain)流出來。
電子也是一樣的道理，當今天在Gate上施加電壓時，電子就會從 Source 經過 Channel 再從 Drain 流出，如果沒有電壓施加在 Gate 上，電子就無法通過，形成 0 的訊號，因此，我們就可以透過控制 Gate 的電壓來讓電流通過或不通過。
這樣的設計在 2000 年以前被許多公司採用，然而，當電晶體的面積不斷被縮小、Channel 長度縮短時，這讓 Gate 和下方 Channel 的接觸面積也隨之變少、越來越難控制下方的電子是否要通過，更雪上加霜的是，在電晶體縮小、每個部位都變小變薄下，電子更有機會偷偷從 Gate 流入產生「漏電」，讓電晶體即使是關閉的仍會不斷漏電，你可以想像當你把手機、電腦關機時他們還一直在耗電嗎？
因此，這在當時是非常嚴重的問題，1990 年代中期當電晶體 Channel 長度走到大約 350 奈米時，縮小電晶體的前景已日漸黯淡，當時已有人喊出「摩爾定律已死」，甚至還有專家計算出按照當時晶片耗電功率的增加速度，到某個時間點的散熱功率甚至會比火箭噴嘴還要高呢。
從天而降的救世主-FinFET
時間拉回到 1983 年，時任美國加州大學柏克萊分校的胡正明教授讀到 IBM 一篇講述電晶體縮小尺寸將會遇到上述挑戰的期刊論文，當下的他意識到半導體產業按照目前的趨勢遲早會走到盡頭，於是決定擔起這項艱鉅的挑戰，與 Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 兩位教授開始了電晶體的研究，在十幾年的奮鬥後，終於在 1990 年代後期推出新一代的電晶體-FinFET (Fin Field-Effect Transistor)，中文名為「鰭式場效電晶體」。
FinFET 相較於傳統的 MOSFET，它將 Source 和 Drain 從原本的平面往上拉高成像魚鰭的形狀( FinFET的 Fin 即是在形容像魚鰭的外觀 )，而原本的 Gate則直接包覆住中間高起的 Channel。這樣的設計大幅增加 Gate 和 Channel 的接觸面積，Gate 的控制能力也隨之加強，就如同原本只能在很短的水管上施加很大的壓力才能關起來，現在我們將水管做的比較薄後，輕輕從兩邊用手一捏就可以關住水流了。
此外，FinFET 的結構設計也讓電晶體的尺寸微縮避免陷入一味縮小 Channel的長度，而是將電晶體從平面往上延伸成 3D 的構造，讓晶片可以做更有效的空間運用，於是在時隔 11 年、電晶體走到 25 奈米以下製程後，Intel 終於首度將 FinFET 進行量產，開啟 FinFET 的電晶體時代，讓 2000 年後的全球半導體公司仍能繼續摩爾定律每兩年電晶體數量翻倍的神話，直至今日。
後 FinFET 時代的解答？
看到這裡不免有人想問：只不過簡單改變一下這些結構的形狀，有這麼厲害嗎？的確，在胡正明教授推出 FinFET 前，早就有人想出類似的結構，但胡正明卻是第一位成功將 FinFET 做出來的人。或許對別人來說，這些新結構和軟體模擬只不過是一篇學術上的論文，然而對胡正明教授而言，他相信這會是整個半導體產業的未來，這樣的使命感才讓他克服萬難地將 FinFET 電晶體給實現。
走到如今 5 奈米以下的製程，FinFET 似乎也開始面臨尺寸無法再微縮的問題，於是三星便提出了Gate-All-Around 的結構 ( 簡稱GAA )，直接用 Gate 將整根 Channel 包覆住、最大化接觸面積和控制能力，這種製程在技術上更具有挑戰性，而競爭對手台積電近期則宣布將會在3奈米製程繼續沿用FinFET的結構，究竟孰優孰劣也是全世界引頸期盼的。
FinFET 之後的未來，還會不會有更新奇、更好玩的電晶體結構出現、成功續命摩爾定律呢？GAA電晶體會是解答嗎？就讓我們拭目以待吧！
謝謝看完這篇文的你~
看完這篇文，可以幫我們按 5下clap！
看完而且喜歡的話，可以幫我們按 15下clap！
如果想看我們繼續寫更多文章的話，直接拍到 25下吧！
最後想了解更多 SemiKnow 的話，歡迎追蹤按讚我們的粉絲專頁：
本文章由SemiKnow半知半解所有，如需轉載請來信告知semiknow.official@gmail.com，如未經同意隨意修改文章發佈視為抄襲剽竊，請不要挑戰智慧財產權謝謝！
