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得益于晶體管的出現(xiàn)，電子產(chǎn)品的繁榮才有了現(xiàn)在。因此，晶體管也被稱為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，它的出現(xiàn)為集成電路、微處理器和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，晶體管自誕生以來也發(fā)生了翻天覆地的變化。
晶體管的誕生
在晶體管誕生之前，電信號的放大主要是通過真空管。但由于真空管制造難度大、體積大、能耗高、使用壽命短，業(yè)界開始期待電子管替代品的出現(xiàn)。1945年秋，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式成立了以肖克利為首，包括布拉頓和巴丁在內(nèi)的半導(dǎo)體研究小組，開始研究幾種新材料，包括硅和鍺。
1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了第一個(gè)由鍺半導(dǎo)體制成的點(diǎn)接觸晶體管。但由于點(diǎn)接觸晶體管的性能不佳，在點(diǎn)接觸晶體管發(fā)明一個(gè)月后，肖克利提出了一種制作pn結(jié)的結(jié)型晶體管的方法，這種晶體管被稱為雙極晶體管。當(dāng)時(shí)巴丁和布拉頓主要發(fā)明了半導(dǎo)體三極管；肖克利發(fā)明了pn二極管，他們因?qū)Π雽?dǎo)體和晶體管效應(yīng)的研究獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在大多數(shù)應(yīng)用中，晶體管可以取代真空管，因?yàn)樗幸韵聝?yōu)點(diǎn):
沒有加熱陰極造成的能量損失，應(yīng)用真空管時(shí)產(chǎn)生的橙光是加熱造成的，有點(diǎn)類似于傳統(tǒng)的燈泡。
體積小、重量輕，從而有助于電子設(shè)備的小型化。
工作電壓低，可以用電池供電。
通電后即可使用，無需加熱陰極所需的預(yù)熱時(shí)間。
可以通過半導(dǎo)體技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)。
放大倍數(shù)很大。
平面晶體管
平面技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的非常重要的半導(dǎo)體技術(shù)。該工藝是通過氧化、光刻、擴(kuò)散和離子注入等一系列工藝在si半導(dǎo)體芯片上制作晶體管和集成電路。所有用所謂平面工藝制造的晶體管都稱為平面晶體管。
平面晶體管的基區(qū)一般采用雜質(zhì)擴(kuò)散技術(shù)制作，因此雜質(zhì)濃度分布不均勻(表面高內(nèi)部低)，會(huì)產(chǎn)生漂移電場，加速注入基區(qū)的少數(shù)載流子的移動(dòng)。因此平面晶體管通常也是所謂漂移晶體管。這種晶體管的性能比均勻基極晶體管好得多。
業(yè)界有兩種不同的傳統(tǒng)平面晶體管技術(shù)流派。一種稱為傳統(tǒng)的體硅技術(shù)，另一種是相對較新的絕緣體上硅(soi)技術(shù)。平面體cmos和fdsoi曾經(jīng)在22nm節(jié)點(diǎn)處相互面對。其中，體cmos是最著名的，也是成本最低的選項(xiàng)，因此多年來一直是芯片行業(yè)的支柱。但是隨著科技的進(jìn)步，bulk cmos晶體管容易出現(xiàn)一種叫做隨機(jī)摻雜波動(dòng)的現(xiàn)象。因此，體cmos晶體管可能表現(xiàn)出與其標(biāo)稱特性不同的性能，并且還可能產(chǎn)生閾值電壓的隨機(jī)差異。解決這個(gè)問題的一種方法是切換到完全耗盡型晶體管，如fdsoi或finfet。
體cmos和fdsoi的區(qū)別在于，后者在硅襯底的頂部增加了一層掩埋氧化物(box)，而box則覆蓋了一層相對較薄的硅層。該層將晶體管與襯底隔離，從而阻止器件中的泄漏。英特爾是體硅技術(shù)的堅(jiān)定支持者，而ibm/amd是soi技術(shù)的絕對守護(hù)者。
finfet晶體管
平面晶體管在很長一段時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。但是隨著尺寸變小，傳統(tǒng)的平面晶體管出現(xiàn)短溝道效應(yīng)，特別是漏電流，使得元件消耗功率。特別是當(dāng)晶體管的尺寸縮小到25nm以下時(shí)，傳統(tǒng)的平面場效應(yīng)晶體管的尺寸無法縮小。在這種情況下，finfet出現(xiàn)了。finfet又叫鰭式場效應(yīng)晶體管，是一種三維場效應(yīng)晶體管。finfet的主要目的是使場效應(yīng)管三維化。
第一種finfet晶體管叫做 耗盡型貧溝道晶體管 or 達(dá)美航空公司晶體管，1989年由日立中央研究實(shí)驗(yàn)室的久本迪夫、加賀徹、川本長谷川義史和武田榮治首次在日本制造。然而，目前使用的finfet晶體管是由加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授基于delta技術(shù)發(fā)明的多柵極晶體管。
多柵晶體管的載流子溝道由接觸每個(gè)平面的柵極控制。因此，它提供了一種更好的控制漏電流的方法。因?yàn)槎鄸啪w管具有更高的固有增益和更低的溝道調(diào)制效應(yīng)，所以它們也可以在模擬電路中提供更好的性能。這可以降低功耗并提高芯片性能。三維設(shè)計(jì)還可以提高晶體管密度，進(jìn)而發(fā)展需要高密度晶體管的mems領(lǐng)域。
與平面cmos技術(shù)相比，finfet器件具有明顯更快的開關(guān)時(shí)間和更高的電流密度。finfet是非平面晶體管或 3d 晶體管。它是現(xiàn)代納米電子半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)。
2011年，英特爾將其用于22nm工藝的生產(chǎn)，并正式商用。從2014年開始，14nm(或16nm)的主要代工廠(tsmc、三星、globalfoundries)都采用了finfet設(shè)計(jì)。在之后的發(fā)展過程中，finfet也成為了14 nm、10 nm、7 nm工藝節(jié)點(diǎn)的主要柵極設(shè)計(jì)。
gaa晶體管
但是當(dāng)高級工藝已經(jīng)到了7nm階段，在試圖繼續(xù)向下發(fā)展的過程中，發(fā)現(xiàn)finfet似乎已經(jīng)無法滿足更高級的工藝節(jié)點(diǎn)。因此，在2006年，來自韓國科學(xué)技術(shù)研究院(kaist)和國家納米晶片中心的韓國研究人員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于通用柵極(gaa)finfet技術(shù)的晶體管。三星曾表示，gaa技術(shù)將用于3nm工藝。
gaa通用柵和finfet的區(qū)別在于gaa設(shè)計(jì)在溝道的四邊周圍有柵，從而保證了漏電壓的降低，提高了對溝道的控制。這是減少流程節(jié)點(diǎn)的基本步驟。使用更高效的晶體管設(shè)計(jì)和更小的節(jié)點(diǎn)尺寸可以實(shí)現(xiàn)比5nm finfet工藝更好的能耗比。
gaa技術(shù)作為預(yù)研技術(shù)，有自己的方案。例如，ibm提供了一種稱為硅fet(納米線fet)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了30nm的納米線間距和60nm的按比例縮小的柵極間距。該器件的有效納米線尺寸為12.8nm，此外，新加坡國立大學(xué)也推出了自己的線寬為3.5nm的納米線pfet，使用相變材料ge2sb2te5作為線性應(yīng)力源。
據(jù)韓國媒體business korea報(bào)道，三星電子已經(jīng)成功攻克了3nm和1nm工藝中使用的gaa (gateallaround)技術(shù)，正式向3nm工藝邁出了重要一步。預(yù)計(jì)2022年開始量產(chǎn)。
標(biāo)簽
從平面晶體管到gaa晶體管，代工的研發(fā)投入越來越高。在這個(gè)過程中，辛格和umc先后放棄了14納米以下先進(jìn)工藝的研究。英特爾雖然公布了7nm計(jì)劃，但很長一段時(shí)間都停留在10nm工藝節(jié)點(diǎn)。三星在7納米節(jié)點(diǎn)上也落后于tsmc的發(fā)展。在這種情況下，tsmc幾乎拿走了市場上所有的7nm業(yè)務(wù)。
但是，先進(jìn)的技術(shù)不會(huì)因?yàn)橥婕疑倭硕磺啊８鶕?jù)三星早期公布的gaa晶體管的近況，勢必會(huì)在3nm節(jié)點(diǎn)上與tsmc一爭高下。另一方面，tsmc沒有新的锏，除了它將采用euv平版印刷術(shù)。在3nm節(jié)點(diǎn)，新晶體管會(huì)改變現(xiàn)有代工廠的市場地位嗎？晶體管未來會(huì)發(fā)生什么變化，值得我們共同期待。
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