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產業
護國神山台積電（ 2330-TW ）原本已經產能與訂單供不應求的狀況，最近又有新生意上門了。
<新聞 1＞：晶圓代工龍頭廠台積電傳出又接獲蘋果大單！半導體供應鏈指出，蘋果自行開發應用在 5G 的射頻接收器（RF transceiver ），敲定由台積電採用 6nm 製程代工生產，也是目前業界採最先進製程的射頻接收器，年產能超過 15 萬片。
這款原本由蘋果向高通外購的射頻接收器，由三星以 4nm 製程代工，日前外媒報導因三星 4nm 製程會出現產品高溫降頻等問題，高通已將新款 5G 旗艦晶片代工訂單轉由台積電代工生產，預計今年第 3 季放量。換言之，三星又掉單了。
<新聞 2＞：英特爾召開分析師大會，宣示將在 2025 年前重回電晶體每瓦效能的領先地位，將台積電 7nm 至 3nm 先進製程列為提高總體產能的重要策略，執行長基辛格（Pat Gelsinger）已順利爭取到未來 2～3 年更多台積電的先進製程代工產能，且涵蓋製程包括 7nm 及 6nm、5nm 及 4nm、及 3nm 等。法人預期英特爾可望在未來 2 年內成為台積電前三大客戶之一。
這場晶圓先進製程大戰，7nm 以下戰場現為台積電、三星與英特爾對戰情勢，隨著製程持續演進，電晶體微縮越來越困難，雙方實力差距也明顯拉開。究竟這個讓台積電囊括大半市占的製造技術——FinFET 是什麼東西？
場效電晶體（FET：Field Effect Transistor）
FET 的全名是「場效電晶體（FET：Field Effect Transistor）」，先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS 的全名是「金屬 －氧化物 －半導體場效電晶體（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）」， 構造如＜圖一＞所示，左邊灰色的區域（矽）叫做「源極（Source）」，右邊灰色的區域（矽）叫做「汲極（Drain）」，中間有塊金屬（綠色）突出來叫做「閘極（Gate）」，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物（黄色），因為中間由上而下依序為金屬（Metal）、氧化物（Oxide）、半導體（Semiconductor），因此稱為「MOS」。
圖一、MOSFET代表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一個「位元（bit）」
MOSFET 的工作原理與用途
MOSFET 的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入，經過閘極下方的電子通道，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過，有點像是水龍頭的開關一樣，因此稱為「閘」；電子是由源極流入，也就是電子的來源，因此稱為「源」；電子是由汲極流出，看看說文解字裡的介紹：汲者，引水于井也，也就是由這裡取出電子，因此稱為「汲」。
- 當閘極不加電壓：電子無法導通，代表這個位元是 0，如＜圖一（a）＞所示；
- 當閘極加正電壓：電子可以導通，代表這個位元是 1，如＜圖一（b）＞所示。
MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體（FET），科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單位，一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一個「位元（bit）」。電腦是以 0 與 1 兩種數位訊號來運算；我們可以想像在矽晶片上有數十億個 MOSFET，就代表數十億個 0 與 1，再用金屬導線將這數十億個 MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來，電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算，最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果，這就是電子計算機（電腦）的基本工作原理。晶圓廠像台積電（2330-TW）、聯電（2303-TW），就是在矽晶圓上製作數十億個 MOSFET 的工廠。
閘極長度： 半導體製程進步的關鍵
在 MOSFET 中，「閘極長度（Gate length）」大約 10 奈米，是所有構造中最細小也最難製作的，因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度，這就是所謂的「製程線寬」。閘極長度會隨製程技術的進步而變小，從早期的 0.18 微米、0.13 微米，進步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米、10 奈米，到目前台積電正在開發的最新製程 7 奈米、5 奈米、3 奈米。
當閘極長度愈小，則整個 MOSFET 就愈小，而同樣含有數十億個 MOSFET 的晶片就愈小，封裝以後的積體電路就愈小，最後做出來的手機就愈小囉！10 奈米到底有多小呢？細菌大約 1 微米，病毒大約 100 奈米，換句話說，人類現在的製程技術可以製作出只有病毒 1/10（10 奈米）以下的結構，厲害吧！（註：製程線寬其實就是閘極長度，只是圖一看起來 10 奈米的閘極長度反而比較短，因此有人習慣把它叫做「線寬」。）
FinFET將 半導體製程帶入新境界
MOSFET 的結構自發明以來，到現在已使用超過四十年，當閘極長度縮小到 20 奈米以下的時候，遇到了許多問題，其中最麻煩的是當閘極長度愈小，源極和汲極的距離就愈近，閘極下方的氧化物也愈薄，電子有可能偷偷溜過去產生「漏電（Leakage）」；另外一個更麻煩的問題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的，但是閘極長度愈小，則閘極與通道之間的接觸面積（圖一紅色虛線區域）愈小，也就是閘極對通道的影響力愈小，要如何才能保持閘極對通道的影響力（接觸面積）呢？
因此美國加州大學伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發明了「鰭式場效電晶體（FinFET：Fin Field Effect Transistor）」，把原本 2D 構造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如＜圖二＞所示，因為構造很像魚鰭 ，因此稱為「鰭式（Fin）」。
由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結構，讓源極和汲極之間的通道變成板狀，則閘極與通道之間的接觸面積變大了（圖二黃色的氧化物與下方接觸的區域明顯比圖一紅色虛線區域還大），這樣一來即使閘極長度縮小到 20 奈米以下，仍然保留很大的接觸面積，可以控制電子是否能由源極流到汲極，因此可以更妥善的控制電流，同時降低漏電和動態功率耗損，所謂動態功率耗損就是這個 FinFET 由狀態 0 變 1 或由 1 變 0 時所消耗的電能，降低漏電和動態功率耗損就是可以更省電的意思囉！
圖二、FinFET 就是把原本 2D 構造的源極和汲極拉高變成立體板狀結構
掌握 FinFET 技術就是掌握市場競爭力
簡而言之，鰭式場效電晶體是閘極長度縮小到 10 奈米以下的關鍵，擁有這個技術的製程與專利，才能確保未來在半導體市場上的競爭力，這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因，而在過去幾年台積電與三星的競爭中，台積電幾乎是完勝三星，與台積電擁有成熟的鰭式場效電晶體（FinFET）製程與專利密不可分，也使得台積電成為台灣少數具有國際競爭力的世界級高科技公司。
《知識力》授權轉載
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