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发表于 2020-5-30 17:32:35
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本帖最后由 楚之游侠 于 2020-5-30 20:49 编辑
芯片制程突破到14纳米其实并没有那么难。
现在的制程研发中,真正的两个门槛,其实是20纳米和10纳米。
讲制程研发,首先要讲到个概念“金属-氧化物-半导体场效电晶体”(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)
构造如图所示,左边灰色的区域(矽)叫做“源极(Source)”,右边灰色的区域(矽)叫做“汲极(Drain)”,中间有块金属(红色)突出来叫做“闸极(Gate)”,闸极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),因为中间由上而下依序为金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为“MOS”。
当闸极不加电压,电子无法导通,代表这个位元是 0,如图一(a)所示; 当闸极加正电压,电子可以导通,代表这个位元是 1,如图一(b)所示。
MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体(FET),如果将它制作在矽晶圆上,是数位讯号的最小单位,一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1,就是电脑里的一个“位元(bit)”。
电脑是以 0 与 1 两种数位讯号来运算。基本的工作原理,就是利用矽晶片的 MOSFET,通过金属导线相互连接,让电子讯号在其间流通产生交互运算,得到试用者想要的结果。
从上述概念的讲解中,我们可以知道MOSFET中比较关键的,就是闸极长度(Gate length),由于是所有构造中最细小也最难制作的,因此业界常常以闸极长度来代表半导体制程的进步程度,这就是所谓的“制程线宽”。通常大家谈的什么14纳米制程,7纳米制程,实际就来源于这个闸极长度。
早起的0.18微米,0.13 微米,进步到 90 纳米、65 纳米、45 奈米、22 纳米等等,当闸极长度越小,则整个 MOSFET 就越小。
但是从MOSFET 的结构自发明以后,使用超过几十年,制程研发到20纳米的时候,遇到了巨大的问题。最麻烦是闸极长度越小,源极和汲极的距离就越近,闸极下方的氧化物也越薄,电子有可能偷偷溜过去产生“漏电(Leakage)”。
而且,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度变得太小以后,则闸极与通道之间的接触面积(图一的红色虚线区域)也就变小,相当于闸极对通道的影响力减弱。所以保持闸极和通道的接触面积就成为难题。
由于上面这个问题的存在,所以突破20纳米制程才被称为门槛。
后来还是加州大学伯克利分校的胡正明等教授发明了“鳍式场效电晶体(Fin Field Effect Transistor,FinFET)”,把原本 2D 构造的 MOSFET 改为 3D 的 FinFET,这才找到了进入20纳米制程的钥匙。
如图二所示,因为构造很像鱼鳍 ,因此称为“鳍式(Fin)”。
由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构,让源极和汲极之间的通道变成板状,则闸极与通道之间的接触面积变大了(图二黄色的氧化物与下方接触的区域明显比图一红色虚线区域还大),这样一来即使闸极长度缩小到 20 纳米以下,仍然保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到汲极。
从20纳米研发到14纳米,还是在这个FinFET上做文章。和之前突破20纳米需要新理论来支撑不是一个概念的难度。
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