20世纪最伟大的发明是什么，你可能会得到一个答案——晶体管。
这篇文章带大家重走晶体管从发明、从20000nm制程到1nm制程、点燃科技革命的长征路。
此处需要注意的是，广义上的晶体管种类挺多，此处我们着重讲讲，用于大规模集成电路中的晶体管。同时，这篇文章既讲故事，也讲原理，如果原理看不懂可以跳过当故事看。
上面这张图标出来了晶体管发展的历史。如果你不是专业选手，现在看不懂没关系，等你读完这篇文章，再回过来看。
一定看的懂这每一步的意义。当然，如果你对晶体管比较熟悉，通过这张图你应该就比较明白我打算在这篇文章里讲点什么。
我们的故事，还是要从Wiliam Shockley讲起，看过我芯片简史的小伙伴应该记得，这哥们，靠着徒子徒孙（仙童，intel, etc）曾经占据半导体行业半壁江山。
1936年，年轻的肖克利拿到了博士学位，找了个贝尔实验室的工作养家糊口。其实晶体管的想法他早就有，提出了场效应理论。然后他并没有深入下去，我们按下不表。
二十多年后的60年，科恩（Dawon.Kahng）和马丁.阿塔拉（M.M.Atalla）根据shockley的理论搞出来了东西叫做绝缘栅场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）。
他两发现，在由金属（Metal栅）、氧化物（Oxide绝缘）和硅（Silicon半导体）组成的三明治中，在硅和其氧化物之间的界面处，电特性可以改变，因此将其命名为MOSFET，也就是今天我们常说的MOS，记住它的大名：金属氧化物硅基场效应晶体管。。
可惜的是，这个时候的MOS速度贼慢，通道长20微米（20000nm），比当时较火的双极型晶体管慢100倍。。。所以并没有很受重视。贝尔实验室申请了个专利（US 3102230）后就搁哪儿。。
时间来到了1962年，仙童半导体来了一个叫Frank Wanlass的哥们，对MOS晶体管非常痴迷。63年后他在ISSSCC上发文章，在同一集成电路上放上PMOS和NMOS, 这就是我们说的CMOS。。。
由于自己感觉在仙童不太受重视，他跳槽到了GME（通用微电子公司）, 并在64年造出了第一个CMOS IC的demo, 一个20位的移位寄存器。然后这哥们拿着这个demo 芯片到处炫，最后被NASA看上了。NASA看上它的原因主要是：CMOS表现出的的功耗。在CMOS之前大家普遍使用NMOS器件，NMOS工艺简单，但有个问题，电路不动的时候也有静态功耗。
后来的后来，GME因为没钱倒闭了。Frank是个狂热的MOS爱好者以及传道者，intel创立以后moore试图挖来frank, 由于frank有其他公司的合同在身，人没挖成功，但是frank详细的介绍了MOS的工作，玩了一把生在曹营，心在汉。
1971年，intel第一个用晶体管造的处理器发表在了当年的ISSCC上。10000nm工艺（滑稽表情）。
后面的故事我们也知道，摩尔提出一个著名的定律：摩尔定律。在1980年左右，随着晶体管数目不断上升, NMOS导致的静态功耗再也没把发接受。intel用CMOS开创了一个半导体的新时代！
讲完了故事，我们来讲讲，上面提到的MOSFET到底是一个什么样的工作原理。
MOSFET实际上是个三极管，要讲清楚原理，我们先从半导体PN结原理讲起。首先我们来看如何通过掺杂造出半导体。
我们先从硅的电子结构讲起，硅实际上有14个电子。其中内层电子它比较稳定，最外层4个电子，容易丢失或者获得其他电子，形成共价键，8个电子才是稳定态。一般来讲，我们画的时候只画最外层4个。
本来硅原子堆在一起，会形成如下中间硅原子一样的结果，和周边的硅原子形成共价键，周边恰好8个电子，这个时候Si是不导电的。没有掺杂的Si, 我们叫本征半导体。
那假如，我们在Si里掺杂一点五个电子的Sb, 由于周边都是Si,只需要4个电子，此时Sb还是倾向于形成8电子的稳定结构，此时多出来的一个电子就成了自由电子。同理，掺入3价的B，此时少一个电子，就形成了一个电子空穴。
有了自由电子和空穴，此时的材料就能。。导电了。我们把有空穴的叫positive region, 有电子的叫negative region, 把两种材料怼在一起。如下图所示的一样，电子和空穴会相互扩散然后中和。
相互中和了会发生什么？原来电子和原子核数是相等的。n区电子被空穴中和后，电子少了，形成一个正电区域。同理，p区形成一个负电区域，此时PN节处就有了一个内建电场。这个内建电场阻止了电子继续往p区移动。
此时我们要是在P区和N区加一个大于内建电场Vth的电压，此时外面加的电场足够大，可以克服内建电场的影响，那么自由电子成功被吸引到正极，PN节就导通了。
由此，我们得到了一个可以单向导通的PN结，这个是所有晶体管的基础。
有了PN节以后，我们继续往下看。此时我们就要介绍我们的晶体管原理了。
下图为p‒n‒p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p‒n结。浓度最高的p＋区称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区(collector，用C表示)。各区域内的浓度假设均匀分布，p‒n结的概念可直接应用在晶体管内的结上。
下图为p‒n‒p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区，再在此n型区上以热扩散形成一高浓度的p＋型区，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区形成欧姆接触。
下面这个图，我们在P衬底上挖出两个n+区域，相当于形成了两个背靠背的PN结。
两个n分别连接源极和漏极。同时中间有个gate端，实际上和下面的衬底中间有绝缘层。这就是我们晶体管的基本原型。
下面我们来讲工作原理。首先我们在G端加一个电压，当这个电压足够大时，大于阈值电压（参考上面的PN节阈值）由于场效应的的存在，吸引足够多的电子，两个n会被连起来，形成一个沟道。
当Vg>Vth, 且Vg-Vd > Vth，此时我们的晶体管处于线性区。沟道和S和D都联通，电流可以在D和S之间流动。
当我们继续加大Vd, S和D之间的电流不断增大。
但Vd足够大后，此时会导致Vd-Vd
最终，SD之间的电流ID，和VD, VG之间的关系如下图。
所以mosfet通过Vg来控制有没有电流。Vg>Vth有电流，反之没有。
此处留一个小问题供大家思考（实际上是一个常用的面试题），我们常说的数字电路中，晶体管工作在线性区还是饱和区？为什么？
你可能注意到，gate端，第一张图画的是金属铝，后来几张图已经换成了多晶硅Poly。多晶硅替代铝主要是两个原因。
第一，制造MOS的过程中先掺杂制作下层，然后，使用稍后形成铝金属栅极的栅极氧化物区域的栅极掩模。这么搞有一个问题。。有可能对不准，会产生寄生电容。。
第二，用铝做栅极，阈值电压比较高。早期晶体管大，阈值电压高，自然没问题，随着晶体管越来越小，铝搞不定低的阈值电压，多晶硅确可以通过掺杂的方式搞定。
至此，Mosfet的原理我们就讲清楚了，我们继续开始讲故事。
我们的故事继续从摩尔定律讲起。摩尔搞了个定律，实际上不是定律，就是他的一个判断。集成电路中晶体管数量每两年翻一番。怎么翻一番？如果晶体管大小不变，仅仅把晶体管数量做上去显然不成。你总不能指望拿到手的芯片面积每两年增大一倍？
所以践行moore定律的唯一一条路：缩小晶体管尺寸。
晶体管尺寸不断缩小，好处肯定不少。通道变短，会更容易实现晶体管的通断。毕竟沟道变短了，电流从D到S跑路的距离就会变短。第二点，晶体管变小了，相应的，寄生电容就小了，晶体管能实现更快的切换。
于是，人们把面积减少一半作为目标，栅极长度作为技术节点，（标准定义应该是gate长度，你理解成沟道长度也没什么不妥，反正后面就没意义了）不断演进。180nm, 130nm，90nm、65nm、45nm到28nm，再到14nm、10nm、7nm乃至5nm。
你可能会问，工艺节点是怎么定的？实际上就是一个moore定律倒果为因的结果。因为我们想让面积缩小一半,*0.5, 那么沟道作为长度，是面积的开方，所以沟道长度要缩短为原来的0.7倍（0.7*0.7=0.5）。所以每个工艺节点都是上一个工艺阶段乘以0.7的结果。
言归正传，既然缩小晶体管这么重要，那就干呗！
在缩小晶体管这条道路上，人类一路披荆斩棘。130nm以上手段比较单一，直接做小就可以，130nm以下，需要有其他技术。在90nm搞出应变硅技术，在65/45nm搞出高K介电质。这个阶段主要是平面晶体管。当然，再往后，肯定还有招，我们后面再讲。
我们可以看到，hi-k材料+metal的组合代替多晶硅后，似乎好造一些。
至此，我们现有的技术可以把晶体管缩小到32nm制程，再往下呢？难搞了。
说SOI和Finfet相爱相杀，实际行也不准确。他两中finfet明显统治力更强。
但这两个给moore定理续命的技术方案，实际上是同一个人提出来的。
这又是一个传奇的名字——胡正明。
美国有个牛逼的存在——DARPA, 美国国防高级研究计划局。会经常掏钱，给美国规划科技的路子。
DARPA早在1995年就很敏锐的觉得，晶体管发展到25nm以下可能有问题，所以提出一个计划交“25nm计划”，要钱给钱，要人给人，等着有牛人来揭榜。
而胡正明正好做了好多关于晶体管的理论研究，是这方面的专家。但实际上由于信息差，DARPA这消息到他耳朵里的时候还剩1周时间deadline, 不过好在艺高人胆大，用一周时间画了个草图交给了DARPA。DARPA还就真给钱了。直接给了4年研究经费。
实际上类似于FinFET概念以前就有人提过，只是大家觉得做不出来。胡正明带着他的学生们真的做出来了这个器件。
2000年，DARPA资助结束，该掏出成果了。胡正明把自己的两个方案都发了文章，立刻引起了轰动。但实际上并没有被工业界立即用起来。为什么呢？
因为DARPA眼光实在是太超前。。。这个时候工业界还在玩150nm的工艺。根本不需要这种25nm的玩意儿。
等到10年后，FinFET在28nm开创了一个时代。同时，胡正明提出的另一个方案SOI也大放光彩。
总之，FinFET和SOI两种全新的晶体管，让工艺制程直接苟到了5nm, 甚至台积电的3nm也还在用FinFET。需要注意的是这两个方向不是一个淘汰另一个的关系，目前两种方案都还在用。
另外，看到这个地方的人应该不多，所以我偷偷插句题外话，大家总关心国产芯片，国产芯片能造到什么制程？目前看起来应该会卡在5nm, 而且5nm的良率在一段时间内还提不上去。主要原因我在原理部分讲。
实际上，继续把晶体管造小的思路是非常明确的—— 增强栅极对沟道的控制能力，克服短沟道效应。
那么思路也有两个：第一个方向，我们想办法把沟道做的薄，这样好控制。第二个方向，我们想办法把栅极控制面积做大，增强对沟道的控制力。
这两个方向就产生了28nm以下的两种著名的晶体管技术。第一个方向叫全耗尽型绝缘体上硅 （FDSOI, Fully Depleted Silicon-on-insulator）。第二个方向叫FinFET。
我们先来讲第一个方案。SOI。这个方案原理比较好懂。先来个SOI的3D结构图。
看上面这张图，左侧是原始的MOSFET。右侧是新的SOI结果。左侧gate对沟道控制力弱很大的一个方面是漏电流会从沟道下面漏过去，我们直接在下面搞一层绝缘体，杜绝这一部分漏电流，我们就可以把沟道做的更短。主要原理是源级和漏级除了沟道，不再有半导体连接了。
所以称之为绝缘体上硅。这种搞法的好处之一是制造简单，工艺和原来的平面晶体管似乎也没有太大区别。SOI的劣势在哪儿呢？到底还是平面的，晶体管继续缩小就有点乏力。
我们再来讲第二个方向，FinFET。
FinFET的思路比较简单。我们把沟道揪起来，让栅极三面包围住沟道，这样栅极对沟道的控制能力自然就加强了。
如上图，直观上讲，左侧是原始的MOSFET， 右侧是新的FinFET。沟道从三面被栅包围，栅的控制力显然会比左侧栅放在沟道上面对沟道控制力强。
如果上面那个图你还理解，我们用下面这个图再讲讲。我在图上画出了沟道的方向。左侧这个沟道只有一个鳍，实际上我们为了进一步增强栅极对沟道的控制力，把沟道揪起三个鳍，进一步增加栅和沟道接触的表面积。
电子显微镜照出来是这样的。
看看实验结果，FinFET在漏电流和速度上均比原来的平面晶体管好。
恩，然后填个坑，为什么说我国自主生产的芯片容易停在5nm，且良率提升比较难。
主要原因是我们搞不来EUV，只能DUV。光刻精度实际上有个著名的公式：
其中，分母取决与透镜，我们先不谈。λ是波长，n是光浸润的折射率。我们只有DUV, 没有EUV，λ天然劣势。
只能减少k。目前采用的方式是多重曝光。
原理很简单，如上图，既然一层曝光搞不定精度了，那我们多做一张掩膜，分多次来光刻芯片。实际上多次曝光对齐是非常困难的事儿。一方面，生产时间变大一倍，一旦对不准，还非常容易影响良率。毕竟，上面讲了是两层光刻。实际以上要高出5nm来，需要的曝光层数可能有七八层。。
（END）
文章来源：半导体全解公众号
