一文看懂 FinFET:原理定義、半導體業現況,怎麼挑戰晶片極限?
FinFET 是什麼?為什麼被晶片界廣泛討論?FinFET 技術,不僅大幅推動半導體產業,更被視為「摩爾定律的救世主」。本文將介紹 FinFET 的原理、其重要性、發展歷程和趨勢,以及進入此領域的專業人才所需的技能和特質。
以台灣發展來說,2024 年聯電宣布與 Intel 合作開發的 12 奈米 FinFET 製程技術,預計於 2026 年完工、2027 年投入量產,廣泛應用於各種半導體產品上,這一策略將成為聯電擴充產能和技術升級的關鍵。文章大綱一、FinFET 是什麼?摩爾定律的救世主二、FinFET 撐起前 20 年的半導體業,再下個 20 年呢?三、FinFET 人才 2 大職涯跑道:必備知識技能一次看
一、FinFET 是什麼?摩爾定律的救世主FinFET 與電晶體在認識 FinFET 鰭式場效電晶體前,得先知道何謂電晶體。
台灣的半導體產業在全球供應鏈中扮演重要角色,其中可以控制電子與電洞產生電流的半導體元件,最重要的元件即為「電晶體」。電晶體負責控制訊號,透過改變電壓來控制電流大小,當電流通過時,IC 晶片的訊號從 0 變成 1 ,成功連接數位世界與真實世界。因此,電晶體可謂控制 IC 晶片的重要元件。台灣半導體是世界龍頭,其中一項關鍵技術:用來控制電子與電洞產生電流的半導體元件,即為「電晶體」。
FinFET 的前輩:MOSFET以下將電晶體的技術分為 3 階段,首先從 MOSFET 開始。
如上所述,電晶體有三個電極:閘極(Gate)、汲極(Drain)以及源極(Source)。傳統的 MOSFET 電晶體就像用水龍頭控制水流,透過對 Gate(水龍頭)施加電壓,讓電子從 Source(供水源頭)經過 Channel(水管) 到 Drain(水龍頭出口)。
不過,雖然聽起來很完美,但 MOSFET 電晶體的也存在致命缺點。當半導體技術持續發展,晶片越做越小,Gate 與 Channel 接觸的面積越來越小,也就越來越難控制電流是否要通過,導致「漏電」,電晶體的縮小技術瀕臨極限,而當時的科學家因此認為「摩爾定律已死」。
幸好,FinFET 技術誕生了。延伸閱讀:
摩爾定律是什麼?半導體產業未來怎麼超越晶片極限?
FinFET 鰭式場效電晶體的突破
為了克服 MOSFET 電晶體的缺點,FinFET 應運而生,兩者最大的不同在於構造。
FinFET 將電晶體上的 Source 和 Drain 同時架高,中間的 Channel 也跟著架高被 Gate 包住,這樣架高的形狀就像魚鰭,也就是 Fin 代表的意思,因此 FinFET 被翻譯為「鰭式場效電晶體」。
簡單來說,FinFET 讓 Gate 控制 Channel 的能力大幅提升,原本水龍頭必須用力轉到最近才能阻止漏水,現在只需要輕輕轉動就能止水,效能大幅提升。
不只如此,FinFET 讓電晶體變成 3D 構造,突破原本一直縮小 Channel 長度的技術思維,讓電晶體縮小的技術順利發展,晶片活用度也跟著提高,難怪被稱為摩爾定律的救世主。
FinFET 再進化:GAAFET
不過,FinFET 電晶體的縮小仍有極限,而這次為突破 FinFET 瓶頸而生的則是 GAAFET。
GAAFET 的 GAA 代表 Gate-All-Around,也就是讓 Gate 包覆整根 Channel,進一步強化接觸面積和控制能力。GAAFET 是近期出現的新技術,仍不確定穩定性和量產效能是否能超越 FinFET,相信半導體產業很快就能給我們答案。
MOSFET、FinFET 和 GAAFET 比較以下用表格呈現 MOSFET、FinFET 和 GAAFET 的不同:
MOSFET、FinFET 和 GAAFET 比較MOSFETFinFETGAAFET結構平面閘極魚鰭式閘極環繞式閘極性能閘極長度 20 奈米以下容易漏電閘極長度 10 奈米以下的關鍵閘極長度可突破至 3奈米以下電流驅動能力最弱中間最強應用範圍消費電子用快充通訊用 5G 基站新能源車工業用自動化設備或充電樁物聯網AI(人工智慧)與 ML(機器學習)智慧型手機醫療設備國防技術目前由三星主推 3 奈米晶片二、FinFET 撐起前 20 年的半導體業,再下個 20 年呢?FinFET 的產業發展趨勢因應半導體產業的盛勢,FinFET 至 2030 年市值預估達 2,408 億美元,這都得歸功於智慧型手機、電腦與平板電腦、穿戴式裝置、5G 網路和汽車市場持續擴大,未來 5 年內最大的市場為北美。
目前 FinFET 的主要技術公司包括英特爾(Intel)三星(Samsung)格羅方德(Globalfoundries)台積電(TSMC)FinFET 的主要技術公司發展英特爾(Intel):英特爾在 2022 年量產 4 奈米,於 2023 年量產 3 奈米,預計使用 GAAFET 於 2025 量產 2 奈米,最上面亦提及聯電宣布將與英特爾以 FinFET 製程合作開發的 12 奈米,將於 2027 年量產。三星(Samsung):三星使用 GAAFET 技術在 2022 年的 Q2 量產 3 奈米晶片,同樣預計使用 GAAFET 於 2025 量產 2 奈米。台積電(TSMC):台積電在 2022 年量產 3 奈米FinFET(N3)製程技術。N3 是業界最先進的半導體邏輯製程技術,以及效能更強化的 N3E 和 N3P 製程。同樣將於 2025 年以 GAAFET 量產 2 奈米。
GAAFET 相較於 FinFET,可縮減 45% 的晶片面積,同時降低 50% 的耗能,成為下一個引領摩爾定律的製程技術。由於 FinFET 技術的極限在 3 奈米,若要持續縮小勢必得使用 GAA。此外,三星計畫於 2025 年推出全球首款使用 GAA 製程 3D 先進封裝,跨足代工生產與封裝的完整流程。FinFET 明顯的成長態勢,歸功於智慧型手機、電腦與平板電腦、穿戴式裝置、5G 網路和汽車市場持續擴大。三、FinFET 人才 2 大職涯跑道:必備知識技能一次看FinFET 人才職涯會接觸到 FinFET 的職位主要有 IC design engineer(設計工程師) 跟 IC layout engineer(佈局工程師),以下簡介兩者的工作內容和不同之處:
IC 設計/ IC 佈局工程師工作差異IC design engineer(設計工程師)IC layout engineer(佈局工程師)工作內容設計積體電路的系統架構,必須熟悉各種電子元件,根據專案需求靈活修改設計內容負責實現積體電路的設計與佈局,工程師必須按照設計圖,確保電路在電子元件之間的性能達標學歷電機相關學程,碩士學歷尋找工作更容易電機、電子或通訊相關學程,碩士學歷對加薪有幫助所需技能類比 IC 設計工程師:需具備工具: Circuit Design、DAC、LDO需具備技能:電路設計、ESD數位 IC 設計工程師:需具備工具:Verilog、FPGA、RTL需具備技能:DFT、STA學習過 IC layout 相關課程IC Layout 及類比電路特性分析需具備工具: DRC、Layout、Calibre需具備技能:LVS、Physical design所需特質細心負責、態度積極、團隊合作、專案管理能力、樂於學習薪水起薪可達 6 - 8 萬,工作 3 年後可成長至 9 萬起薪約為 5 萬,工作 3 年後可成長至 7 萬FinFET 求職:IC 設計與佈局都在 Cake!工作職稱公司薪資範圍工作內容類比 IC 設計工程師 Analog IC Design Engineer凌耀科技股份有限公司26,400 TWD/月1. 感測器 IC/混合訊號 IC 設計、驗證、設計/驗證相關文件撰寫:熟悉 Hspice、Matlab 模擬工具熟悉 ADC/DAC、Bandgap、Regulator、Filter 等相關 IP 設計者佳。對環境光感測器、接近感測器、長波紅外線感測器、濕度感測器設計有興趣者優先。熟悉基本半導體製程者優先。2. 量產測試3. 設計文件/支持報告資深類比 IC 設計工程師 [Hsinchu/Taipei]多方科技股份有限公司2,500,000 ~ 4,500,000 TWD/年1. 採用深亞微米 CMOS 技術建構和創新高速類比/混合訊號電路,例如 PCIe/DDR/HDMI ⋯⋯ 發送器和接收器,以便整合到 SoC 產品中。2. 與數位團隊合作制定規範定義3. 創建模擬/數位評估的行為模型4. SerDes IP 的一致性測試布局工程師超赫科技股份有限公司35,000 ~ 45,000 TWD/月1. IC layout2. PCB layout3. 主管交辦事項
FinFET 製程仍是半導體產業的重要技術,目前英特爾、台積電與三星等大公司仍使用 FinFET 製造晶片。FinFET 未來市值不容小覷,如果你想成為產業的一份子,不妨從上面 3 個職位入手,檢驗自己的經歷與技能是否符合。
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