打开这一年来半导体最热门的新闻，大概就属FinFET了，例如：iPhone 6s内新一代A9应用处理器采用新电晶体架构很可能为鳍式电晶体(FinFET)，代表FinFET开始全面攻占手机处理器、三星与台积电较劲，将10 纳米 FinFET 正式纳入开发蓝图 、联电携 ARM，完成 14 纳米 FinFET 制程测试。到底什么是FinFET?它的作用是什么?为什么让这么多国际大厂趋之若骛呢?

　　什么是 FET?

　　FET 的全名是“场效电晶体(Field Effect Transistor，FET)”，先从大家较耳熟能详的“MOS”来说明。MOS 的全名是“金属-氧化物-半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)”， 构造如图一所示，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(绿色)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”。

　　MOSFET 的工作原理与用途

　　MOSFET 的工作原理很简单，电子由左边的源极流入，经过闸极下方的电子通道，由右边的汲极流出，中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过，有点像是水龙头的开关 一样，因此称为“闸”;电子是由源极流入，也就是电子的来源，因此称为“源”;电子是由汲极流出，看看说文解字里的介绍：汲者，引水于井也，也就是由这里 取出电子，因此称为“汲”。

　　当闸极不加电压，电子无法导通，代表这个位是 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)，科学家将它制作在矽晶圆上，是数码讯号的最小单位，一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1，就是电脑里的一个“位(bit)”。电脑是以 0 与 1 两种数码讯号来运算;我们可以想像在矽芯片上有数十亿个 MOSFET，就代表数十亿个 0 与 1，再用金属导线将这数十亿个 MOSFET 的源极、汲极、闸极链接起来，电子讯号在这数十亿个 0 与 1 之间流通就可以交互运算，最后得到使用者想要的加、减、乘、除运算结果，这就是电脑的基本工作原理。晶圆厂像台积电、联电，就是在矽晶圆上制作数十亿个 MOSFET 的工厂。

　　闸极长度： 半导体制程进步的关键

　　在 MOSFET 中，“闸极长度(Gate length)”大约 10 纳米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此我们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”。闸极长度会随制程技术的进步而变 小，从早期的 0.18 微米、0.13 微米，进步到 90 纳米、65 纳米、45 纳米、22 纳米，到目前最新制程 10 纳米。当闸极长度愈小，则整个 MOSFET 就愈小，而同样含有数十亿个 MOSFET 的芯片就愈小，封装以后的集成电路就愈小，最后做出来的手机就愈小啰!。10 纳米到底有多小呢?细菌大约 1 微米，病毒大约 100 纳米，换句话说，人类现在的制程技术可以制作出只有病毒 1/10(10 纳米)的结构，厉害吧!

　　注：制程线宽其实就是闸极长度，只是图一看起来 10 纳米的闸极长度反而比较短，因此有人习惯把它叫做“线宽”。

　　FinFET 将半导体制程带入新境界

　　MOSFET 的结构自发明以来，到现在已使用超过 40 年，当闸极长度缩小到 20 纳米以下的时候，遇到了许多问题，其中最麻烦的是当闸极长度愈小，源极和汲极的距离就愈近，闸极下方的氧化物也愈薄，电子有可能偷偷溜过去产生“漏电 (Leakage)”;另外一个更麻烦的问题，原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的，但是闸极长度愈小，则闸极与通道之间的接触面积(图一 红色虚线区域)愈小，也就是闸极对通道的影响力愈小，要如何才能保持闸极对通道的影响力(接触面积)呢?

　　因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了“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，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，因此可以更妥善的控制电流，同时降低漏电和动态功率耗损，所谓动态功率耗损就是这 个 FinFET 由状态 0 变 1 或由 1 变 0 时所消耗的电能，降低漏电和动态功率耗损就是可以更省电的意思啰!

　　掌握 FinFET 技术，就是掌握市场竞争力

　　简而言之，鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到 20 纳米以下的关键，拥有这个技术的制程与专利，才能确保未来在半导体市场上的竞争力，这也是让许多国际大厂趋之若骛的主因。值得一提的是，这个技术的发明人 胡正明教授，就是梁孟松的博士论文指导教授，换句话说，梁孟松是这个技术的核心人物之一，台积电没有重用梁孟松继续研发这个技术，致使他跳糟到三星电子， 让三星电子的 FinFET 制程技术在短短数年间突飞猛进甚至超越台积电，这才是未来台湾半导体晶圆代工产业最大的危机，虽然台积电控告梁孟松侵权与违反竞业禁止条款获得胜诉，但是 内行人都知道这是赢了面子输了里子，科技公司的人事安排、升迁、管理如何才能留住人才，值得国内相关的科技厂商做为借镜。