FinFET之父往事

2020-08-02 19:40:08 来源: Sophie

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那是1995年。芯片技术一直遵循摩尔定律飞速发展，摩尔定律指出，由于晶体管的尺寸不断缩小，芯片上晶体管的数量大约每两年就会翻一番。

然而地平线似乎不再无限。的确，这是第一次，整个半导体行业都在悄然预言摩尔定律的终结。当一个关键晶体管的尺寸从350纳米缩小到不足100纳米时，这就暗示了黄金时代将结束。就连美国政府也忧心忡忡——美国国防部高级研究计划局（DARPA）为此拉响了警报，并启动了一项寻找新芯片技术的计划。

当时就职于加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学的胡正明教授欣然接受了这一挑战。他立即想到了一个方案（实际上是两个解决方案），并在几天后乘坐飞机的途中做出设计草图。其中一个想法是，升高电流流过的通道，使其凸出芯片表面，成为鳍式场效应晶体管（FinFET）。该技术为他赢得了今年的IEEE荣誉勋章，“在半导体模型开发和应用方面成就卓越，特别是3D结构设计，使摩尔定律又延续了几十年。”

当然，FinFET的故事并不是在胡正明在飞机折叠餐桌上画草图的时候开始的。

事情最早始于中国台湾，当时的胡正明还是个充满好奇心的孩子，他会在炉台上用海水做实验，或是把闹钟拆卸开来又重新组装上。临近高中毕业时，他依然对科学充满兴趣，尤其是化学。但他并未选择化学专业，而是申请了电气工程专业。虽然当时他并不真正了解电气工程师实际上是做什么的，但是电气工程专业的录取分数最高，这对他无疑是一个挑战。

在大学的最后一年，胡正明发现了这个他后来将要撼动的行业，这要归功于当时来自美国的客座教授弗兰克•方（Frank Fang）。“那是1968年，”胡正明回忆道，“他告诉我们半导体将成为未来电视机的材料，电视机可以像照片一样挂在墙上。”

在那个电子管电视机很笨重的年代，这句话引起了胡正明的注意。他决定将半导体作为自己未来的研究领域，并申请攻读美国的研究生学位。1969年，他来到了伯克利，并在那里加入了一个研究小组，研究金属氧化物半导体（MOS）晶体管。

根据他自己的回忆，由于半导体似乎太过简单，他很快改变了研究方向，转向研究光电路，在完成集成光学的博士论文之后去了麻省理工学院，继续从事这一领域的研究。

直到发生1973年的“石油禁运”。“我觉得我要做点事情，做一些有意义、重要的事情，而不仅仅是写论文。”

于是他转而致力于开发用于地面的低成本太阳能电池——在当时，太阳能电池仅用于卫星。1976年，他以教授的身份回到伯克利，计划进行能源领域研究，包括混合动力汽车，这让他重返半导体领域。“电动汽车需要高电压、大电流的半导体设备。”胡正明解释说。

20世纪80年代初，重返半导体研究领域被证明是件好事。当时政府对能源研究的资助已近枯竭，但旧金山湾区的许多企业都支持半导体研究。胡正明认为，获得转让合作经费“并不困难”。他开始在距离伯克利不远的硅谷投入时间，受一些企业的邀请，讲授半导体设备的短期课程。1982年，他整个学术假期都在硅谷中心的圣克拉拉国家半导体公司度过。

“在工业界的工作对我产生了深远的影响。” 胡正明感慨道，“在学术界，我们只是彼此学习什么是重要的，感兴趣的事情仅来自读了一篇别人论文，觉得‘嘿，我可以做得比这更好’。而放眼工业界，我发现到处都是有趣的问题。”这样的顿悟让胡正明更加努力地研究晶体管的3D结构。

场效应晶体管有4个部分——1个源极、1个漏极、一个连接这两者的导电通道和一个控制沿通道电流的栅极。由于这些器件被做得更小，人们开始注意到晶体管的性能随着长期使用在改变。这一改变在短期测试中无法显现，企业也很难预测。

1983年，胡正明读到了IBM研究人员发表的一篇论文，其中就描述了这一挑战。在美国国家半导体公司工作了一段时间后，他意识到缺乏长期可靠性可能会给行业带来各种问题。如果没有在基层一线的工作经历，他说：“我就不会知道这个问题的重要性，也就不会花费近10年的时间来研究它。”

胡正明决定接受这个挑战，并和一群学生投入研究，开发出了热载流子注入理论，用以预测MOS的可靠性。这是一个定量模型，描述设备在电子迁移时是如何退化的。随后，他开始研究另一个可靠性问题，即氧化物随时间分解的方式。随着制造商将半导体的氧化物层越做越薄，这个问题也越来越受到关注。

胡正明告诉我们，这些研究需要他对晶体管内部发生的情况有深入的了解。他的研究成果变成了后来的伯克利可靠性工具（BERT）和晶体管模型（BSIM）。BSIM成为了行业标准并一直沿用至今，现在胡正明仍在领导着模型定期更新的工作。

胡正明和他的学生们一直在研究晶体管的基本特性：它是如何工作、如何失效，以及如何随时间变化的。直到20世纪90年代，当时，商用芯片还在继续沿着摩尔定律预测的路径发展。但是到了20世纪90年代中期，晶体管平均特征尺寸仍在350纳米左右，进一步缩小尺寸的前景开始令人担忧。据当时在IBM 研发部门工作的刘易斯•泰曼(Lewis Terman)回忆道：“当时觉得摩尔定律的终结就在眼前。”

主要问题是功率。随着晶体管越来越小，它处于“关闭”状态的漏电却成为一个大问题。这种漏电会非常严重，增加甚至主导了芯片功耗。胡正明回忆说：“有些论文开始预测互补金属氧化物半导体（CMOS）的摩尔定律将在100纳米以下的时候终结，因为在某一时刻，每平方厘米的功耗甚至高过了火箭喷管。” 胡正明强调：“业内认定那场战役注定失败。”

但DARPA 并不打算放弃摩尔定律，希望资助有望突破这一障碍的研究，1995年中期，启动了一项称为“开启25纳米”计划。胡正明表示：“我喜欢25纳米的想法，它远远超出了业界的想象。”

胡正明认为根本问题非常清晰——把通道做得非常窄，就可以阻止电子从栅极溜过。迄今为止，解决方案一直包括做薄栅极的氧化层，使栅极可以更好地控制通道，减少电流的泄漏。但胡正明在可靠性方面的研究表明，这种方法也可能接近极限：如果氧化层太薄，电子便会跳过氧化层进入硅衬底，形成另一个泄漏源。

胡正明马上想到另外两种解决方法。其中一个是在晶体管下面的硅中埋入一绝缘层，使电荷难以溜过栅极。这种设计后来被称为全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）。另一种方法是将窄通道像鲨鱼鳍一样在基片上方垂直延伸，栅极可以三面环绕通道，而不是仅在通道上方，从而让栅极更好地控制电荷的流动。这种结构被称为FinFET，它另外一个优势是垂直利用空间，缓解2D平面上的拥塞，从而开启了3D晶体管时代。

然而，没有太多的时间向DARPA提交方案。他从加州大学伯克利分校的杰弗里•博科尔（Jeffrey Bokor）教授那里听到了DARPA的资助计划，博科尔教授是在与DARPA的一位项目主管一起冲浪时获知这一消息的。胡正明很快会见了博科尔和另一位同事金智杰（Tsu Jae King），并表明团队将在一周内拿出一份方案。在一两天后前往日本的途中，他画出了这两个设计的草图，在下榻日本酒店后，胡正明将技术草图连同说明一起传真到了伯克利。研究小组提交了这份方案，DARPA随后拨付了他们长达4年的研究经费。

在以前的理论论文中也提及过类似于FinFET的概念。然而，胡正明及其团队真实地做出了可生产的器件，并展示了如何设计将晶体管缩小至25纳米甚至更小。“其他读过论文的人不认为这是一个解决方案，因为制作的难度非常大，也许可行，也许行不通。甚至就连论文作者也不再深究。但我的看法不同，我们说，我们要做这件事，不是为了多写一篇论文，或多得一笔拨款，而是我们想帮助这个行业。我们觉得必须要延续摩尔定律。”

“作为一名技术专家，” 胡正明继续说，“我们有责任确保这件事不会停止，因为一旦停止，我们就失去了最大的希望，没有更大的能力来解决世界难题。”

“胡正明团队沉着自信地开发出FinFET，源于他教授学生研究器件的方法。”他过去的学生、现在伊利诺伊大学香槟分校的副教授爱丽斯•罗森鲍姆（Elyse Rosenbaum）说道，“他强调宏观、定性的理解。在研究半导体器件时，有人把注意力集中在建立模型上，然后对3D网格中的所有的点进行数值求解。他教我们退一步，尝试想象电场在器件的分布、潜在障碍的位置，当我们改变一个特定的维度时，电流会如何变化。”

胡正明认为对半导体器件特性的可视化是相当重要的，罗森鲍姆回忆起有一次，为了让学生弄懂一个过程，他用自己孩子的培乐多玩具搭建了一个MOS晶体管特性的模型。

“这些东西看起来像是突如其来的发明，”他过去的学生、现任恩智浦半导体公司创新和先进技术部高级副总裁法里•阿萨达拉吉（Fari Assaderaghi）感叹道，“但是他的团队一直在研究理想设备的基本概念，从物理学的基本原理开始，由此构建这种结构。”

2000年，在为期4年的资助结束时，胡正明及其团队研制出可工作的器件并发表了他们的研究成果，立即引起了业界广泛的关注。然而，又经过了漫长的10年，2011年英特尔公司才首次将FinFET的芯片投入生产线。为什么会这么久？

“它还没有被打破，” 胡正明解释道，他指的是使半导体电路越来越紧凑的行业生产能力， “人们想象它很快会被打破，但你永远无法修复还没坏的东西。”

事实证明，DARPA的项目经理很有先见之明，他们称该项目为“开启25纳米”，而当半导体产业发展到亚25纳米几何尺寸时，FinFET便开始发挥作用了。

与此同时，FDSOI技术也在不断进步，今天还在行业中应用，尤其是光学和射频设备。而FinFET在处理器行业中仍占主导地位。胡正明表示，他从不提倡用一种方法替代另一种方法。

在FinFET沉寂的几年里，胡正明从伯克利离职3年，担任台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）的首席技术官。他认为这是一个回报他启蒙教育的机会。2004年他重新回到伯克利，继续从事教学工作，研究新的节能半导体器件，全力支持BSIM。2009年，胡正明不再教授常规课程，但仍然以名誉退休教授的身份和研究生一起工作。

自从胡正明回到伯克利后，FinFET技术席卷了整个行业。尽管人们依旧还在预言摩尔定律的终结，但它并未止步于25纳米。

“它的发展将逐渐放缓，但100年内我们很难找到MOS半导体的替代品。” 胡正明说。但这并没有让他感到悲观。“改进电路密度、功耗和速度的方法有很多，我们可以期待半导体行业不断地给人们提供越来越多有用、方便和便携的设备。我们要有更多的创造力和足够的信心。”

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