1 FinFET
1999
年，
加州大学伯克利分校的胡正明
(Chenming Hu)
教授、
Tsu-Jae King
Liu
以及
Jeff Bokor
教授共同研发了鳍式场效应晶体管（
FinFET
）技术，这项突破性创新为半导体技术注入了新活力。
Tsu-Jae King Liu
教授形象地将
FinFET
比喻为
“
垂直晶体管，就像一座座摩天大楼
”
。相较于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（
MOSFET
），后者是以平坦、低矮的形式制造在硅晶圆表面，
FinFET
则通过沿晶圆表面刻蚀出狭窄的垂直鳍侧壁来制造。这种设计不仅优化了空间利用效率，还让每块芯片可容纳多达一万亿个晶体管。
备注：
FinFET
技术最初被称为
"DELTA
（
fully DEpleted Lean-channel TrAnsistor
）
"
晶体管，后来才改名为
FinFET
。这项发明在
2000
年首次发表在
IEEE
电子设备会议（
IEDM
）上，论文题目为
"
《
Sub 50-nm FinFET: PMOS
》
"
。
2011
年，英特尔公司成为第一个将
FinFET
技术商业化的公司，在其
22
纳米制程中使用了这项技术，称之为
"3D
晶体管
"
。
FinFET
的独特之处在于其能够将栅极长度（即源极与漏极之间的距离）缩小至不足
10
纳米。栅极长度的减小，不仅使晶体管整体尺寸进一步微型化，还能以更高的电流密度实现快速切换。
值得一提的是，在五纳米工艺节点中，
FinFET
的设计已经被证明是切实可行的，且不需要对制造工艺进行大幅调整。然而，
Tsu-Jae King Liu
教授坦言：
“
当栅极长度缩小至五纳米以下时，可能会面临量子力学隧穿效应和其他限制效应。这意味着，在制造中哪怕是微小的变化，也可能对晶体管性能造成显著影响。
”
通过其独特的三维结构，
FinFET
有效解决了平面
FET
因短沟道效应而导致的可扩展性瓶颈（参见图
1
）。这不仅延续了摩尔定律的生命力，也为未来更高性能、更小尺寸的半导体器件铺平了道路。
图
1
这张图展示了传统平面场效应晶体管
(Planar FET)
和鳍式场效应晶体管
(FinFET)
的结构对比。主要区别在于
FinFET
采用了垂直的鳍状结构，而
Planar FET
则是平面结构。
Planar FET →
平面场效应晶体管
FinFET →
鳍式场效应晶体管
Gate →
栅极
Drain →
漏极
Source →
源极
Oxide →
氧化层
Silicon substrate →
硅衬底
2
集成电路与设计
集成电路（
IC
）的发明可以追溯到
1958
年，由杰克·基尔比首次提出。这一革命性技术催生了多种类型的集成电路，使现代电子设备的普及成为可能。例如，微处理器是一种逻辑芯片，主要用于计算任务，如运行二进制代码、逻辑门操作和布尔代数计算。
存储芯片则用于存储数据，其中最常见的是
NAND
（非与门）存储器。此外，模拟芯片可以在连续信号范围内运行，可进一步细分为线性
IC
和射频
IC
，用于不同的信号处理功能。而数字信号处理器（
DSP
）则负责在模拟信号和数字信号之间进行转换。特定应用集成电路（
ASIC
）则是根据特定需求定制的芯片，广泛应用于汽车电子、电视、数码相机以及各种家用电器领域。
集成电路的设计和功能取决于多个关键因素，如用途、功耗、芯片面积、成本以及上市时间。在开发过程中，这些因素需要被充分考虑，并决定芯片设计的逻辑电路结构。在逻辑设计阶段，首先需要绘制逻辑电路图，用以定义实现目标功能所需的特定电子电路。一旦电路图完成，工程师会对其进行多次模拟，通过测试来验证电路的运行是否符合设计要求。
图
2
集成电路设计与制造
芯片开发计划
(Chip development plan)
功能和性能
(Function & performance)
功能设计和逻辑设计
(Function design & Logic design)
光罩
(Photomask)
物理设计
(Physical design)
仿真和测试
(Simulation & test)
前端制造
(Front End Fabrication)
后端制造
(Back End Fabrication)
集成电路
(Microchip)
3
集成电路的制造过程
一个复杂的处理器可能包含数亿甚至数十（百）亿个晶体管，这些晶体管通过细金属线彼此互联。芯片的制造过程极其复杂，需要经历数百个精确控制的步骤。
集成电路的基材是硅，这种材料由于其独特的分子结构被称为半导体。硅能够在特定条件下导电，而在其他条件下则表现为绝缘体。这一特性使其成为晶体管的核心构件，通过栅极控制电流通过与否，从而实现
“开
/
关”或二进制的
1/0
功能。
制造集成电路的过程可以划分为三个主要阶段：
（
1
）晶圆制造；（
2
）前端工艺处理；（
3
）后端工艺处理。
在前端工艺处理中，经过数百次重复操作后，集成电路结构最终在晶圆上形成（见图
3
）。
图
3
晶圆制造、光罩、前道工艺和后道工艺
顶部流程（从左到右）：
Photomask
→ 光罩
/
光掩模 Wafer Manufacturing
→ 晶圆制造
Oxidation
→ 氧化
Photoresist
→ 光刻胶Microlithography
→ 光刻
Etching
→ 刻蚀
Doping
→ 掺杂
Deposition
→ 沉积 CMP
→ 化学机械抛光
底部流程（从左到右）：
Microchip
→ 集成电路
Test
→ 测试
Encapsulation
→ 封装
Bonding
→ 键合
Dicing
→ 切割
Test
→ 测试
IC
的生产高度依赖先进的制造技术，包括材料处理自动化、计算机集成制造、先进工艺控制以及制造执行系统等。制造过程中，晶圆作为
IC
结构的基底，经过复杂的工序，如氧化、光刻、刻蚀、掺杂以及各种材料的沉积。每一阶段还需进行严格的检测和测试。最终，芯片被切割、封装、测试，进入可供使用的状态。
3.1
晶圆制造
晶圆，也称为晶片或基板，是一种由硅或其他半导体材料（如砷化镓）制成的薄圆片，其厚度约与信用卡相当。硅，是地球上仅次于氧的第二丰富元素，广泛存在于沙子中。在用于半导体制造之前，硅必须被提纯至接近
100%
的纯度。
半导体制造的起点是硅锭的生长。硅锭一般通过两种方法制造：直拉法（
Czochralski
，
CZ
）和区熔法。由于区熔法受限于生长过程中表面张力的影响，其晶圆直径通常不超过
150
毫米。相比之下，大多数硅锭更常见于通过
直拉法
生长。
在直拉法中，以一块称为
“种子”的硅晶体为起点，将其放入几乎
100%
纯的熔融硅中。种子和容器以相反方向旋转，同时在氩气环境下，将纯化硅加热至约
1200
°
C
。随后，将种子从熔融硅中缓慢拉出，硅原子逐渐附着在种子上，最终形成一根长晶体棒，称为硅锭。在对温度、气体环境和压力的严格控制下，硅锭的直径通常达到
200
毫米或
300
毫米。通过此工艺，生产出电子级硅，其纯度高达
99.9999999%
，完全符合半导体制造的质量标准。
晶圆制造工艺
是通过
一系列操作用于将硅锭加工成硅晶圆。
裁切、研磨、切片
：
单晶硅锭的两端使用单刃金刚石锯片和水冷却液进行裁切。随后，硅锭被研磨至均匀直径，并对两端进行倒角处理，以减少硅锭破裂的可能性。通过
X
射线衍射确定晶体结构。通过湿式研磨在硅锭上制作一个纵向平面，用于指示硅锭的晶体方向。硅锭被切割成圆片，也称为基板。
研磨
：
切片后，晶圆在压力下进行机械研磨，以实现平整度和平行度。研磨操作会去除切片过程中损坏的表面硅，并将晶圆研磨至所需厚度。通过使用湿式自动研磨机对单个晶圆的边缘进行倒圆处理。
腐蚀
：
切片和研磨会破坏硅表面的晶体结构，因此需要用含有硝酸、醋酸或氢氟酸的溶液对晶圆进行腐蚀，以去除受损的外表面并减少晶圆厚度。腐蚀操作可以在手动腐蚀槽或自动腐蚀机中完成。
