统治半导体行业半个世纪的CMOS要被新的晶体管替代？

最近，该设计已获得英国政府的170万英镑（约1522万人民币）的资助，这笔来自URKI工业战略挑战基金的捐赠，将助力Bizen晶体管技术进一步发展。这项有潜力将CMOS载入历史的晶体管技术究竟有什么不同？

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CMOS在芯片制造中的地位

CMOS又称为互补金属氧化物半导体，是一种集成电路的设计工艺。在硅质晶体板上制成NMOS和PMOS 基本元件共同组成的电路具有互补性，故被称之为CMOS电路。

1962年，美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管。次年，F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，如今，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺。

基于CMOS工艺的芯片制造，需要在晶圆上完成硼元素和磷元素的扩散，进而掺杂制成PMOS元件和NMOS元件，最后得到满足要求的电路。但是在掺杂的过程，需要不断地进行光刻，确保腐蚀和扩散无法对光刻选定的地方起作用。一般而言，基于传统CMOS设计工艺的芯片制造需要10-17个掩膜层。

除此之外，传统的双极技术需要使用高阻电阻器，这种电阻器会在基板上占据很大的面积。

在MOS和CMOS技术取代以前占主导地位的双极工艺的同时，因为结构宽度的进一步缩小与物理定律的冲突越来越多，MOS达到了极限。

Bizen晶体管模型的提出

技术可能有极限，但是人类的智慧却没有极限。英国初创公司Search For The Next（SFN） 和苏格兰芯片制造商Semefab合作开发了Bizen晶体管架构，可能从另一方向打破CMOS的极限。

提出Bizen晶体管架构最初的目的就是为了创建具有较少掩膜步骤的芯片，使得同一块芯片上同时具有逻辑和功率晶体管，在这一初衷下创建一个LED驱动器的集成电路。SFN的首席执行官萨默兰（Summerland）提出了使用齐纳二极管反向偏置特性的想法，该特性是由二极管N区域和P区域之间掺杂水平的突然变化产生的，最终致使量子电流的产生。Summerland希望利用该电流来驱动双极晶体管。

具体而言，SFN的Bizen晶体管设计，将双极结与齐纳二极管的概念结合在一起，利用量子隧穿效应从传统的双极晶体管中消除了电阻以及所有金属层。晶体管使用量子隧道连接栅极并能够建立多个栅极连接，这意味着可以在一个晶体管内创建多个非门和或门，从而缩小了逻辑电路的裸片。

根据萨默兰德（Summerland）的解释，尽管Bizen存在一些静态功耗要求，但可以达到或超过CMOS工艺技术的开关速度和动态功耗。目前为止，Bizen晶体管还没有CMOS静电放电（ESD）敏感性和闩锁问题的困扰，Bizen晶体管适用于数字晶体管和功率器件。

该技术还具有可扩展性的潜力，Semefab董事总经理Allan James表示，各个处理步骤的性质使该技术天生具有扩展到较小节点的能力。

“这实际上是一种非常精巧的工艺架构，具有相对较少的扩散和只有八个掩模。”James说， “八个掩模可以创建能够执行逻辑功能的Bizen器件，能够执行模拟功能的横向器件以及垂直NPN功率晶体管功能。”

Bizen晶体管何时能投入使用？

由于仅需要4-8个掩模层（CMOS为10-17个掩模层），Bizen晶体管可以在适合英国低资本支出的晶圆厂中相对较大的工艺节点上快速经济地生产。据SFN称，交货时间可以从15周减少到3周。

Semefab在苏格兰Glenrothes建立了33年，经营着三个晶圆厂，包括两个MOS /双极工厂（一个是1µm到0.7µm节点的100mm晶圆厂，一个是1µm到0.7µm节点的150mm晶圆厂）。主要从事MEMS晶圆代工业务。

接下来，晶圆代工厂将进一步对Bizen进行测试，提高集成度并进行进一步的特性描述，包括加速寿命测试。James表示，目前还没有获得成品率统计信息，但到目前为止，Bizen晶体管在其150mm晶圆上看起来是均匀的，并且随机采样大量器件表明确实是均匀的。

自2018年年中以来，SFN已与苏格兰Glenrothes本地的私有半导体和MEMS晶圆厂Semefab合作，进行工艺开发和认证以生产设备，并计划在今年夏天推出第一批测试芯片。

在英国政府的扶持下，这批芯片或将更早问世。