台积电、英特尔因他成霸主!FinFET晶体管技术让半导体产业大变天

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2021-06-07 22:52




  新智元报道  

来源:网络

编辑:yaxin

【新智元导读】上个世纪末,半导体工艺进化之路进入了一个瓶颈期。一位华人教授带领团队发明出「FinFET晶体管技术」,成功解决了当时困扰整个半导体界的晶体管漏电问题。


上个世纪末,半导体工艺进化之路曾一度面临停滞,摩尔定律遭受威胁。


直到FinFET晶体管技术的出现,才使得整个半导体产业突破了20nm左右的限制。


提到FinEFT技术,就不得不提到一个人。


他,就是胡正明,一个「拯救」摩尔定律的男人。



FinFET 给「摩尔定律」续命十几年


几十年来,半导体行业进步的背后存在着一条金科玉律,即「摩尔定律」—— 人类史上最伟大的「自我预言」。


摩尔定律表明:每隔 18~24 个月,封装在微芯片上的晶体管数量便会增加一倍,芯片的性能也会随之翻一番



上世纪90年代中期,半导体业界普遍认为半导体制程工艺到25nm时将出现瓶颈,制造技术将难以突破。


因为无法解决晶体管大规模集成到一定数量后的漏电问题,功耗将会随之非常高,这也使得业界普遍认为摩尔定律将逐渐失效


当芯片制程达到极限时,必定会有科研人员思考制程技术的未来。


为什么说,胡正明教授「拯救」了摩尔定律?



那还得从晶体管的原理说起。


我们都熟知中学物理电流开关结构,晶体管其实就像电流开关结构,只不过是用半导体材料做成的。


晶体管的左边和右边都是半导体,只有中间是金属。


可以理解为左边是电流开关结构的源极(Source),右边是漏极(Drain),中间金属是栅极(Gate)



栅极用来控制从源极到漏极的「通电」,电流从源极到漏极形成了计算机的计算回路。


计算机每次运算,都是上亿个晶体管的进行「电流运动」。



最初的晶体管结构是矩形的,源极、漏极和栅极这3个结构之间的接触面,都是一个平面。


后来,制程技术不断提升时,晶体管中栅极的宽度被挤压的越来越小



当这个栅极低于20nm时,就会对电流失控,源极的电流会穿透栅极,直接到达漏极。


这可以说是芯片的「漏电」,让芯片发热量急剧上升。


如果我们解决不了这个漏电问题,就不能继续朝着更高的制程走。


1999年,胡正明教授带领自己团队发明了「FinFET晶体管技术」,成功解决了当时困扰整个半导体界的晶体管漏电问题。



胡正明教授的FinFET解决方案就是,改变一下结构。


通过改造晶体管的结构,把源极和漏极做成「直立」的样子,然后让栅极包围住源极和漏极。



这样就相当于增加了栅极和源极、漏极的接触面积,加强了栅极的控制能力,避免了漏电现象。


因为这种结构长得像「鱼鳍」,所以也被叫做鳍片结构。


看似很简单,但是做起来的难度极高。毕竟晶体管的体积都是用纳米计算的,在这种精度上改变形状,难度可想而知。


正因为解决了这个问题,胡正明教授一直被称为「FinFET之父」


FinFET技术不仅拯救了摩尔定律,同时也改变了整个半导体行业的发展方向,使得台积电、英特尔、AMD、英伟达、苹果、华为、高通、三星等半导体行业的公司都受益于胡正明教授的发明。



台积电前CTO,美国院士,获IEEE最高荣誉奖


1947年,「FinFET之父」出生在北京豆芽菜胡同,后移居台湾,1968年毕业于台湾大学电机工程系。



此后赴美国加州大学伯克利分校留学,并获得了硕士和博士学位。


胡正明教授表示,「自己当时并没有身怀大志,只不过读书不错,便拿到了一个奖学金到伯克利念书。



自1976年以来,他一直是加州大学伯克利分校电气工程和计算机系的教授。


他还投身产业界,曾担任半导体制造商安霸的董事会成员,后来于2001-2004年又担任台积电CTO



在学术方面,胡正明总共撰写了5本书,发表了900多篇研究论文,并拥有100多项美国专利。


他在1997年当选美国的国家工程院院士,是微电子物理领域的学术先锋。


胡正明还是IEEE Fellow、中国科学院外籍院士,并且还是中国科学院微电子所、清华大学等院校的荣誉教授。


胡正明多次获得过IEEE授予的荣誉奖项,2016年入选硅谷工程师名人堂,并在当年由美国总统奥巴马授予白宫国家技术创新奖。



目前发展到哪?


近20年过去了,到了7nm时代,我们在芯片制程路上越来越来,甚至到了举步维艰的地步,FinFET结构也无法突破物理极限。



在7nm之后,每前进一步,不仅是在迭代光刻工艺,同时也是在挑战物理极限。


从2015年,第一颗7nm芯片问世那天起,摩尔定律「将死论」就一直萦绕在整个半导体行业。



因为晶体管突破7nm时,漏电现象再次出现了。


科学家们就表示,FinFET到了极限,又一次走到了路的尽头。


时势造英雄,GAA (gate-all-around,简称 GAA) 架构的出现再次拯救了摩尔定律


它的概念的提出也很早,比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。



全环绕栅(GAA)是FinFET技术的演进,沟道由纳米线(nanowire)构成,其四面都被栅极围绕,从而再度增强栅极对沟道的控制能力,有效减少漏电。


目前,IBM宣布最新的2nm先进制程芯片便是采用了GAA架构。



GAA 技术的推进,的确在很大程度上推进半导体工艺特别是先进制程上的发展。


但随着制程技术越来越接近物理极限,想要把芯片继续做薄做小,先进制程也并不是唯一的道路,材料、封装等也都可以称为突破的道路。


正如胡正明教授所说,「FinFET 证实了这个产业还有很多可以用我们的智慧来解决的问题,我还真是看不到半导体产业发展的极限。



未来,半导体产业发展依然一片光明。


参考资料:

https://www.163.com/dy/article/GBBJ303M051986UM.html
https://news.mydrivers.com/1/689/689340.htm
https://www.ithome.com/0/513/206.ht



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