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FinFET的父亲如何帮助拯救摩尔定律

2020年IEEE荣誉勋章胡晨明将晶体管带入了三维


那是1995年。芯片技术的进步并没有落后于摩尔定律 -观察到芯片中的晶体管数量大约每两年翻一番-主要是由于晶体管尺寸的减小。

但是，地平线似乎不再是无限的。谣言首次在整个半导体行业中流传开来，预言摩尔定律的消亡。当晶体管的关键特性的尺寸下降到100 nm时，晶体管的关键特性的尺寸将下降，金价将告一段落。甚至美国政府也很担心-如此之大，以至于DARPA机构发出了警告，并启动了一项计划，以寻找可以持续发展的新芯片技术。

时任加州大学伯克利分校电气和计算机科学教授的胡晨敏很高兴接受这一挑战。他立即想出了解决这个问题的方法-实际上，甚至是两个-并坐在飞机上，草拟了它们的草图。这些想法之一是提高电流通道，使其上升到芯片表面以上。后来，FinFET技术变成了FinFET技术，今年，由于在半导体模型（尤其是三维结构）的开发和实际应用方面的杰出事业，胡锦涛被授予IEEE荣誉勋章。

当然，FinFET的故事并非始于胡开始在飞机的折叠桌上用铅笔在纸上画东西的事实。

它始于台湾，在那里，一个好奇的孩子胡（Hu）用海水进行了家庭实验，并拆除（然后收集了）警报。从学校毕业后，他仍然对科学感兴趣，主要是化学。但是他没有学习化学家的知识，而是进入国立台湾大学电气工程学院学习，甚至不知道电气工程的确切功能。对他而言，这只是一个挑战-对于此培训计划，要求最高分。

在学习的最后一年中，胡锦涛发现了一个行业，这一行业会因他的举动而震惊-多亏了受邀参加美国讲座的方方舟。

胡锦涛回忆说：“那是1968年，方舟子告诉我们，未来的电视将基于半导体，电视将变成像照片一样可以挂在墙上的东西。”

在带有显像管的大型电视时代，这引起了胡锦涛的注意。他决定学习半导体适合他，并在美国申请了培训。 1969年，他来到伯克利，并加入了一个研究团队，从事金属氧化物半导体晶体管（MOS结构）的研究。

很快，他的职业生涯就改变了方向，因为正如他所回忆的那样，在他看来这太容易了。他转而研究光学电路，为他的集成光学博士学位辩护，然后转到MIT继续从事该领域的工作。

然后在1973年实行了石油禁运。 “在我看来，我应该做一些重要的事情，”他说，“有用，而不仅仅是写一些工作。”

因此，他转向开发用于地面应用的廉价太阳能电池板-那时，太阳能电池仅用于卫星。 1976年，他返回伯克利（Berkeley），已经是一名教授，计划进行包括混合动力汽车在内的能源领域的研究-他们将他带回到了半导体领域。胡解释说：“电动汽车需要高压大电流半导体器件。”

在1980年代初期，回归半导体研究是一个政变。胡说，政府停止了对能源研究的资助，但是位于旧金山湾的几家公司支持半导体研究，并转向公司融资“并不十分困难”。应公司的邀请，他开始在伯克利附近的硅谷度过更多的时间，他们开设了有关半导体器件的短期课程。 1982年，他在美国硅谷的中心圣塔克拉拉（Santa Clara）的国家半导体（National Semiconductor）度过了假期。

胡说：“我对这个行业的参与长期以来一直影响着我的生活。” -在科学上，我们彼此学习重要的东西，当我阅读别人的作品并认为自己可以做得更好时，我对某些东西很感兴趣。然后，当我熟悉这个行业时，我意识到在那里潜伏着有趣的任务。”这一发现使胡锦涛变得更加积极地探索晶体管的三维结构。


FinFET的功能：每个晶体管都有一个源极，一个漏极，一个连接它们的导电通道和一个控制通道电流的栅极。在FinFET中，通道会升高到芯片表面上方，就像鱼翅一样。 [fin-fin]-允许快门将其包裹在三个侧面上，从而可以更好地控制电流。

场效应晶体管具有四个主要组件-源极，漏极，连接它们的导电沟道和控制沟道中电流的栅极。而且，制造这些组件的次数越少，人们在较长时间后就越经常注意到晶体管行为的变化。这些变化不会在短期试验中体现出来，并且公司很难预测是否会表现出来。

1983年，胡阅读了IBM研究人员发表的一篇论文，其中描述了类似的变化。由于他在美国国家半导体公司的经验，他意识到由于缺乏长期可靠性，该行业可能面临的困难。他说，如果他不“在最前沿”工作，“我将不明白这个问题的重要性，也不想花近十年的时间来解决它。”

胡决定接受挑战，并与一群学生一起开发了热载流子注入理论，以预测MOS的可靠性。该数值模型描述了电子迁移过程中器件的退化。然后他转向另一个可靠性问题：随着时间的流逝如何破坏氧化物，随着制造商逐渐使半导体的氧化物层越来越薄，这一点变得很重要。

胡说，这些研究要求他仔细了解晶体管内部发生的过程。随后，这项工作产生了伯克利可靠性工具（BERT）和BSIM晶体管模型集。 BSIM已成为行业标准，并且今天仍在使用。胡仍然负责定期更新模型。

Hu继续与学生合作，研究晶体管的基本特征-它们的工作方式，它们如何发生故障，它们如何随时间变化-直到1990年代中期。同时，商业芯片是根据摩尔定律开发的。然而，到90年代中期，当平均特征尺寸达到350 nm时，进一步压缩晶体管尺寸的前景开始引起制造商的关注。

“摩尔定律的尽头已经显而易见，”当时在IBM Research工作的Lewis Terman回忆说。

主要问题是营养。特性尺寸越小，在晶体管关闭时导致电流流失的问题就越多。而且这些泄漏变得如此严重，以至于它们增加了（甚至占了）芯片功耗的大部分。

胡锦涛回忆说：“工作开始出现了预测，即当超过100 nm阈值时，摩尔定律将终止CMOS，因为在某些时候，每平方厘米的能量消耗必须比火箭的喷嘴更多。” “业界宣布这场战斗失败了。”


胡晨明（Chenming Hu）于1976年开始在加州大学伯克利分校任教。


他的研究的第一个主题是混合动力汽车，特别是汽油-电动汽车，他在1980年的加利福尼亚大学董事会会议上提出了这一建议。


在1997年的实验室中，胡先生通过DARPA的资助积极参与了FinFET的开发，

不想放弃摩尔定律（DARPA）美国国防部高级研究项目办公室正在寻找有望克服这一障碍以为其提供资金的研究。在1995年中，它启动了一个名为“ 25 nm过渡”的项目。

胡说：“我喜欢25纳米的想法-它远远超出了业界认为的可能性。”

胡认为基本问题非常清楚-您需要使沟道如此之薄，以使电子不会滑过栅极。当时，解决该问题的方法之一是提出使栅极中的氧化物层更薄。因此，通道的控制变得更好，并且漏电流减小了。但是，胡的工作表明这种方法太接近危险极限：如果将氧化物层做得太薄，电子将能够通过它跳到硅衬底上，这将引起另一种泄漏源。

我立刻想到了另外两个选择。一种是通过在晶体管下方的硅中添加绝缘层来使栅极周围的电荷复杂化。这种电路称为“基板上的完全耗尽硅”或FDSOI。另一个方法是通过以鲨鱼鳍的方式在基板上方举起一条薄小的通道来提高百叶窗控制电荷的能力-从而使百叶窗可以从三个侧面缠绕在通道周围，而不仅仅是从上方固定。这种结构称为FinFET，它还有另一个优势-第三维的使用减少了二维平面上的负载，并为创建三维晶体管铺平了道路。

但是，将应用程序发送给DARPA的时间不多了。胡锦涛从他的一位同事Jeffrey Bokor那里了解了这项资助计划，他在与DARPA的项目负责人进行风帆冲浪时就发现了这一建议。因此，胡锦涛很快会见了波哥和他们的另一个同事Tsu Jae King，并同意团队将为这一周提出建议。几天后，他乘坐飞机飞往日本时，草拟了该计划的两个版本，并在到达旅馆后将图纸和技术说明通过传真发送回伯克利。该小组发送了他的建议，后来DARPA向该小组分配了为期四年的研究经费。

在此之前，类似于FinFET的想法已经出现在科学论文中。但是，Hu和他的团队实际上创建了适合工业生产的设备，并展示了他们的电路将如何制造特征尺寸为25 nm或更小的晶体管。 “读过这些著作的其他科学家并不认为这种方法是解决问题的方法，因为这样的晶体管将难以制造，并且尚不清楚它们是否会起作用。胡说，甚至作品的作者自己也没有进一步发展这个想法。 -我认为不同之处在于我们研究了这个问题并决定与之合作不是因为我们想写另一份工作或获得另一笔资助，而是因为我们想为这个行业提供帮助。我们认为我们需要扩展摩尔定律。”

胡锦涛继续说：“作为技术专家，我们有责任确保自己没有停下来。因为一旦他停下来，我们将立即失去扩大解决人类最复杂问题的能力的希望。”


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他和他的团队“非常适合开发FinFET，因为他教了学生如何思考器件的方法，”他的前学生，现任伊利诺伊大学厄本那香槟分校的教授Elise Rosenbaum说。 “他强调了整体情况的重要性，即对情况的定量理解。在研究半导体器件时，有些人专注于创建三维网格的所有点的模型和后续数值解。他教我们退后一步，尝试想象设备中电场的分布，势垒的位置以及当我们改变某个零件的尺寸时电流如何变化。”

胡认为，可视化半导体器件的行为非常重要，因此据罗森鲍姆（Rosenbaum）讲，试图向学生教授这一过程，“他为我们建立了一个从孩子身上提取的橡皮泥制作的MOS晶体管行为模型”。恩智浦半导体公司

以前的学生，现在是创新与技术副总裁的法里·阿萨德拉吉（Fari Assaderagi）说：“这一切似乎都是突然从零开始出现的一项发明。” -但是，他的团队从物理的基础开始研究理想设备的基本概念。创建这种结构的想法就从那里来。

到2000年，在四年的财政支持结束时，胡锦涛和他的团队创造了工作装置并发表了研究成果，引起了许多行业代表的即时关注。但是，FinFET芯片又花了十年的时间才下线，而英特尔芯片是2011年的第一块。为什么花这么长时间？

胡锦涛解释说：“情况尚未打破。”他指的是该行业生产越来越紧凑的设计的能力。 “人们认为它会破裂，但您无法修复尚未破裂的东西。”

事实证明，DARPA的管理者预言了未来-他们称融资项目为“向25 nm的过渡”，当FinFET出现时，半导体行业已经转向25 nm以下的技术工艺。

同时，FDSOI也得到了发展，甚至在当今行业中也得到了使用。特别是，它用于光学和无线电设备，FinFET在处理器行业占据主导地位。胡锦涛表示，他从未说过一种方法比另一种更好。

在FinFET成立之初，胡锦涛从伯克利休了三年假，在台湾半导体制造商台积电担任首席技术官。他认为这是一个偿还他接受初始教育的国家的债务的机会。他于2004年返回伯克利，继续教书，研究节能半导体器件并支持BSIM。 2009年，胡完成了常规教学，但仍与研究生一起担任名誉教授。

胡锦涛回到伯克利后，FinFET技术占领了整个行业。摩尔定律并没有在25 nm处结束，尽管仍然可以定期预测他的死因。

胡说：“进展将逐渐放缓，但是再过一百年我们将无法替代MOS。” 但是，他并没有失去希望。“有提高电路密度，功耗和速度的方法，我们可以期望半导体行业继续为人们提供越来越有用，方便和便携式的设备。我们需要更加有创意和更有信心地解决这个问题。”

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