去年10月，英國初創公司Search For The Next (SFN) 開發的一種名為Bizen晶體管設計被媒體曝光。根據SFN的說法，同傳統的CMOS晶體管比較起來，Bizen採用雙極-齊納二極管的方式能大大減少工藝層，從而將交付時間從15週縮短到3週，有望撼動CMOS的地位。

最近，該設計已獲得英國政府的170萬英鎊（約1522萬人民幣）的資助，這筆來自URKI工業戰略挑戰基金的捐贈，將助力Bizen晶體管技術進一步發展。這項有潛力將CMOS載入歷史的晶體管技術究竟有什麼不同？

圖片來源：wccftech

CMOS在芯片製造中的地位

CMOS又稱為互補金屬氧化物半導體，是一種集成電路的設計工藝。在矽質晶體板上製成NMOS和PMOS 基本元件共同組成的電路具有互補性，故被稱之為CMOS電路。

1962年，美國RCA公司研製出MOS場效應晶體管。次年，FMWanlass和CTSah首次提出CMOS技術，如今，95%以上的集成電路芯片都是基於CMOS工藝。

基於CMOS工藝的芯片製造，需要在晶圓上完成硼元素和磷元素的擴散，進而摻雜製成PMOS元件和NMOS元件，最後得到滿足要求的電路。但是在摻雜的過程，需要不斷地進行光刻，確保腐蝕和擴散無法對光刻選定的地方起作用。一般而言，基於傳統CMOS設計工藝的芯片製造需要10-17個掩膜層。

除此之外，傳統的雙極技術需要使用高阻電阻器，這種電阻器會在基板上佔據很大的面積。

在MOS和CMOS技術取代以前占主導地位的雙極工藝的同時，因為結構寬度的進一步縮小與物理定律的衝突越來越多，MOS達到了極限。

Bizen晶體管模型的提出

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

提出Bizen晶體管架構最初的目的就是為了創建具有較少掩膜步驟的芯片，使得同一塊芯片上同時具有邏輯和功率晶體管，在這一初衷下創建一個LED驅動器的集成電路。SFN的首席執行官薩默蘭（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區域和P區域之間摻雜水平的突然變化產生的，最終致使量子電流的產生。Summerland希望利用該電流來驅動雙極晶體管。

具體而言，SFN的Bizen晶體管設計，將雙極結與齊納二極管的概念結合在一起，利用量子隧穿效應從傳統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柵極並能夠建立多個柵極連接，這意味著可以在一個晶體管內創建多個非門和或門，從而縮小了邏輯電路的裸片。

根據薩默蘭德（Summerland）的解釋，儘管Bizen存在一些靜態功耗要求，但可以達到或超過CMOS工藝技術的開關速度和動態功耗。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晶體管適用於數字晶體管和功率器件。

該技術還具有可擴展性的潛力，Semefab董事總經理Allan James表示，各個處理步驟的性質使該技術天生具有擴展到較小節點的能力。

“這實際上是一種非常精巧的工藝架構，具有相對較少的擴散和只有八個掩模。”James說， “八個掩模可以創建能夠執行邏輯功能的Bizen器件，能夠執行模擬功能的橫向器件以及垂直NPN功率晶體管功能。”

Bizen晶體管何時能投入使用？

由於僅需要4-8個掩模層（CMOS為10-17個掩模層），Bizen晶體管可以在適合英國低資本支出的晶圓廠中相對較大的工藝節點上快速經濟地生產。據SFN稱，交貨時間可以從15週減少到3週。

Semefab在蘇格蘭Glenrothes建立了33年，經營著三個晶圓廠，包括兩個MOS /雙極工廠（一個是1µm到0.7µm節點的100mm晶圓廠，一個是1µm到0.7µm節點的150mm晶圓廠）。主要從事MEMS晶圓代工業務。

接下來，晶圓代工廠將進一步對Bizen進行測試，提高集成度並進行進一步的特性描述，包括加速壽命測試。James表示，目前還沒有獲得成品率統計信息，但到目前為止，Bizen晶體管在其150mm晶圓上看起來是均勻的，並且隨機採樣大量器件表明確實是均勻的。

自2018年年中以來，SFN已與蘇格蘭Glenrothes本地的私有半導體和MEMS晶圓廠Semefab合作，進行工藝開發和認證以生產設備，併計劃在今年夏天推出第一批測試芯片。

在英國政府的扶持下，這批芯片或將更早問世。