去年10月，英國初創(chuàng)公司Search For The Next （SFN） 開發(fā)的一種名為Bizen晶體管設(shè)計(jì)被媒體曝光。根據(jù)SFN的說法，同傳統(tǒng)的CMOS晶體管比較起來，Bizen采用雙極-齊納二極管的方式能大大減少工藝層，從而將交付時(shí)間從15周縮短到3周，有望撼動(dòng)CMOS的地位。最近，該設(shè)計(jì)已獲得英國政府的170萬英鎊（約1522萬人民幣）的資助，這筆來自URKI工業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金的捐贈(zèng)，將助力Bizen晶體管技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。這項(xiàng)有潛力將CMOS載入歷史的晶體管技術(shù)究竟有什么不同？

CMOS在芯片制造中的地位

CMOS又稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種集成電路的設(shè)計(jì)工藝。在硅質(zhì)晶體板上制成NMOS和PMOS 基本元件共同組成的電路具有互補(bǔ)性，故被稱之為CMOS電路。

1962年，美國RCA公司研制出MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。次年，F(xiàn).M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技術(shù)，如今，95%以上的集成電路芯片都是基于CMOS工藝。

基于CMOS工藝的芯片制造，需要在晶圓上完成硼元素和磷元素的擴(kuò)散，進(jìn)而摻雜制成PMOS元件和NMOS元件，最后得到滿足要求的電路。但是在摻雜的過程，需要不斷地進(jìn)行光刻，確保腐蝕和擴(kuò)散無法對(duì)光刻選定的地方起作用。一般而言，基于傳統(tǒng)CMOS設(shè)計(jì)工藝的芯片制造需要10-17個(gè)掩膜層。除此之外，傳統(tǒng)的雙極技術(shù)需要使用高阻電阻器，這種電阻器會(huì)在基板上占據(jù)很大的面積。

在MOS和CMOS技術(shù)取代以前占主導(dǎo)地位的雙極工藝的同時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)寬度的進(jìn)一步縮小與物理定律的沖突越來越多，MOS達(dá)到了極限。

Bizen晶體管模型的提出

技術(shù)可能有極限，但是人類的智慧卻沒有極限。英國初創(chuàng)公司Search For The Next（SFN） 和蘇格蘭芯片制造商Semefab合作開發(fā)了Bizen晶體管架構(gòu)，可能從另一方向打破CMOS的極限。

提出Bizen晶體管架構(gòu)最初的目的就是為了創(chuàng)建具有較少掩膜步驟的芯片，使得同一塊芯片上同時(shí)具有邏輯和功率晶體管，在這一初衷下創(chuàng)建一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的集成電路。SFN的首席執(zhí)行官薩默蘭（Summerland）提出了使用齊納二極管反向偏置特性的想法，該特性是由二極管N區(qū)域和P區(qū)域之間摻雜水平的突然變化產(chǎn)生的，最終致使量子電流的產(chǎn)生。Summerland希望利用該電流來驅(qū)動(dòng)雙極晶體管。

具體而言，SFN的Bizen晶體管設(shè)計(jì)，將雙極結(jié)與齊納二極管的概念結(jié)合在一起，利用量子隧穿效應(yīng)從傳統(tǒng)的雙極晶體管中消除了電阻以及所有金屬層。晶體管使用量子隧道連接?xùn)艠O并能夠建立多個(gè)柵極連接，這意味著可以在一個(gè)晶體管內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)非門和或門，從而縮小了邏輯電路的裸片。

根據(jù)薩默蘭德（Summerland）的解釋，盡管Bizen存在一些靜態(tài)功耗要求，但可以達(dá)到或超過CMOS工藝技術(shù)的開關(guān)速度和動(dòng)態(tài)功耗。目前為止，Bizen晶體管還沒有CMOS靜電放電（ESD）敏感性和閂鎖問題的困擾，Bizen晶體管適用于數(shù)字晶體管和功率器件。

該技術(shù)還具有可擴(kuò)展性的潛力，Semefab董事總經(jīng)理Allan James表示，各個(gè)處理步驟的性質(zhì)使該技術(shù)天生具有擴(kuò)展到較小節(jié)點(diǎn)的能力。

“這實(shí)際上是一種非常精巧的工藝架構(gòu)，具有相對(duì)較少的擴(kuò)散和只有八個(gè)掩模。”James說， “八個(gè)掩?？梢詣?chuàng)建能夠執(zhí)行邏輯功能的Bizen器件，能夠執(zhí)行模擬功能的橫向器件以及垂直NPN功率晶體管功能?！?/p>

Bizen晶體管何時(shí)能投入使用？

由于僅需要4-8個(gè)掩模層（CMOS為10-17個(gè)掩模層），Bizen晶體管可以在適合英國低資本支出的晶圓廠中相對(duì)較大的工藝節(jié)點(diǎn)上快速經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。據(jù)SFN稱，交貨時(shí)間可以從15周減少到3周。

Semefab在蘇格蘭Glenrothes建立了33年，經(jīng)營(yíng)著三個(gè)晶圓廠，包括兩個(gè)MOS /雙極工廠（一個(gè)是1μm到0.7μm節(jié)點(diǎn)的100mm晶圓廠，一個(gè)是1μm到0.7μm節(jié)點(diǎn)的150mm晶圓廠）。主要從事MEMS晶圓代工業(yè)務(wù)。

接下來，晶圓代工廠將進(jìn)一步對(duì)Bizen進(jìn)行測(cè)試，提高集成度并進(jìn)行進(jìn)一步的特性描述，包括加速壽命測(cè)試。James表示，目前還沒有獲得成品率統(tǒng)計(jì)信息，但到目前為止，Bizen晶體管在其150mm晶圓上看起來是均勻的，并且隨機(jī)采樣大量器件表明確實(shí)是均勻的。

自2018年年中以來，SFN已與蘇格蘭Glenrothes本地的私有半導(dǎo)體和MEMS晶圓廠Semefab合作，進(jìn)行工藝開發(fā)和認(rèn)證以生產(chǎn)設(shè)備，并計(jì)劃在今年夏天推出第一批測(cè)試芯片。

在英國政府的扶持下，這批芯片或?qū)⒏鐔柺馈?/p>

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