读半导体简史14CMOS

1. 制造为王

1.1. 英国

• 1.1.1. 在欧洲工业处于手工工场阶段时，英国发展起来的办法是男人冒死挖矿，女人玩命织布

• 1.1.2. 当时，英国人挖出的煤，比欧洲大陆所有人加在一起还要多

• 1.1.3. 飞梭的发明使英国的纺织品遍布世界

• 1.1.4. 18世纪60年代，瓦特改良蒸汽机，工业革命从这个国家开始

• 1.1.5. 牛顿的出现是上天赐予英国的一个礼物

• 1.1.6. 法拉第与麦克斯韦取得的成就却是英国几代人努力所应得的结果

1.2. 美国

• 1.2.1. 在美国成立后很长的一段时间，因为贫穷落后也被称为乡巴佬的美国人，是世界上最努力的一群人

• 1.2.2. 美国人是基建狂魔，他们用一年时间建成帝国大厦，震撼整个欧洲

• 1.2.3. 美国人大炼钢铁，拼命种地，疯狂挖矿

• 1.2.4. 一战前夕，美国的工业生产总值跃居世界第一，钢、煤、石油与粮食产量居世界之首

• 1.2.5. 依靠强大的工业底蕴，美国赢得了两次世界大战的胜利

1.3. 富裕也许是勤奋最大的敌人

• 1.3.1. 20世纪70年代，欧美国家准备干更少的活，赚更多的钱，将中低端制造业纷纷向亚洲转移

• 1.3.2. 制造业枯燥无味，多数人拿着低微的薪酬，进行着重复性劳动，生产着普通商品

1.4. 制造业呈金字塔结构，最下游贴近老百姓的衣食住行，最上游是设备与材料

• 1.4.1. 在多数情况下，科技进步从解决下游问题开始，将需求逐级抽象传递给上游

• 1.4.2. 上游是制高点也是产业界的兵家必争之地

1.5. 脱离了中低端产业，高端制造业将成为无源之水

• 1.5.1. 脱离了中底层的劳动，其上的高科技与商业模式，终为水中之月

• 1.5.2. 即便在上游这个最需要动脑的领域，核心工作依然以动手为本

1.6. 半导体制造上游领域建立在物理、化学与数学等学科的基础之上

• 1.6.1. 20世纪初开始的量子力学，促进了材料科学的进步，金属、绝缘体与半导体材料的进展一日千里

• 1.6.2. 晶体管诞生之后，集成电路随之而来，半导体产业逐步成型

1.7. 在半导体产业中，集成电路是最大的组成部分

• 1.7.1. 集成电路从诞生之后，迅速成为半导体产业的主角，从某种意义上来说，集成电路的制造几乎代表了半导体制造业的全部内容

• 1.7.2. 集成电路的发展史几乎包含了半导体发展史的全部内容

• 1.7.3. 集成电路的生态，几乎涵盖了半导体生态的全部内容

• 1.7.4. 集成电路由若干晶体管与连接这些晶体管的网络拓扑组成

• 1.7.5. 一个集成电路，无论功能如何复杂，依然以单个晶体管的制作为本

• 1.7.6. 集成电路在摩尔定律的驱动下，对单个晶体管的需求始终为更小的体积与更低的功耗

1.8. 晶体管有许多种类型，分别用于计算、存储、通信与其他领域

• 1.8.1. 不同领域对单个晶体管提出了不同需求，使其制作方法存在较大差异

• 1.8.2. 在本质上，任何一种晶体管的制作，依然由材料、晶体管结构与制作工艺组成

1.9. 半导体材料从化合物开始，逐步演进至锗与硅

• 1.9.1. 硅材料一经确定，便立刻成为舞台中心

• 1.9.1.1. 推动半导体工艺制程至3nm，逐步逼近硅的极限

• 1.9.1.2. 硅制约着集成电路发展上限

• 1.9.1.3. 若没有能够有效替换硅的新材料出现，半导体与集成电路产业的未来，将乏善可陈，波澜不惊

• 1.9.2. 平面制作工艺出现并成为主流

2. 生态

2.1. 半导体产业起源于通信领域

• 2.1.1. 在20世纪初，通信领域使用的矿石检波器是一种半导体二极管

• 2.1.2. 通信领域使用的单个二极管与晶体管在今天被称为分立器件

2.2. 通信领域之外，电源是分立器件更大的应用场景

• 2.2.1. 电源系统的核心IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)与MOSFET属于分立器件，应用在从玩具车、高铁到任何具有电源的系统中

2.3. 与分立器件相对的是由多个晶体管、二极管、电阻与电容所组成的集成电路

2.4. 集成电路分为模拟与数字两大类，其中数字集成电路的产值最大，而计算与存储又在数字集成电路中占据绝大多数份额

2.5. 最本质与最复杂的一步，是制作受摩尔定律指引而对缩小尺寸有着无限追求的晶体管

• 2.5.1. 集成电路不过是将其复制为亿万级个，然后进行连线而已

• 2.5.2. 集成电路制作，依然是基于半导体材料，采用不同的晶体管结构与制作工艺搭建而成的

2.6. 赫尔尼发明平面型晶体管之后，集成电路的制作逐步向平面工艺靠拢，半导体设备与材料的研发也围绕平面工艺展开

2.7. 第一个商用二极管，矿石检波器是基于化合物半导体制作的

2.8. 晶体管的制作材料，始于锗而兴于硅

• 2.8.1. 第一个点接触型与结性晶体管使用锗晶体制作，此后的半导体世界以硅晶体为主体展开

2.9. 硅与锗同为14族元素，是较早被发现的半导体材料，化学性质相近

• 2.9.1. 锗元素是一种金属，也有非常明显的非金属特性，被门捷列夫称为“类硅”​

• 2.9.2. 锗的熔点为938℃，而硅的熔点高达1410℃

• 2.9.3. 熔点较低决定了锗晶体更容易提纯，使其能够在诸多半导体材料中率先突出重围，成为制作晶体管的重要选择

• 2.9.4. 与硅相比，锗晶体除了熔点较低，空穴和电子载流子迁移速度也较快

• 2.9.4.1. 迁移速度可以理解为两种载流子的奔跑速度

• 2.9.4.2. 跑得快给锗带来了一系列优点，比如更低的导通电阻，更低的功耗与更高的开关频率

• 2.9.4.3. 在多数情况下，​“跑得快”比“跑得慢”的优势大很多

• 2.9.5. 硅晶体的某个单一特性不如锗、不如碳、不如化合物半导体，综合特性却无人能敌

• 2.9.6. 地壳与大气层富含这三种元素，在冥冥中注定了这些元素必将大有可为

• 2.9.6.1. 在半导体制作中，硅与“氮氧”的组合堪称完美

• 2.9.6.2. 氮元素在地壳中的含量极少，在大气层中占比却高达78%左右，便于人类发现与利用，硅与氮结合而成的氮化硅更是半导体制作的神来之笔

2.10. 德州仪器的Teal，在发明硅晶体管的1954年，便向世人演示过锗晶体管不耐高温的实验

• 2.10.1. 收音机被中午的阳光暴晒后，便不能正常工作，进一步暴露了锗晶体管存在的这个致命弱点

2.11. 半导体制作除了需要硅与锗这些半导体材料之外，还需要绝缘体的配合

• 2.11.1. 二氧化硅是非常好的绝缘体，不溶于水也不溶于多数酸，在有氧环境下加热即可获得，适合制作晶体管的氧化层和阻挡层

• 2.11.2. 二氧化硅具有较高的绝缘性与较大的介电常数，便于制造大容量电容；而且材料容易获得，在有氧环境加热硅衬底即可

• 2.11.3. 锗晶体与化合物半导体的出现均早于硅，但是两者仅凭缺少了不溶于酸与水的氧化层，便败给了硅

2.12. 贝尔实验室发明区熔与直拉两种方法，将多晶锗提炼为单晶锗锭

• 2.12.1. 区熔法在制作过程中氧与碳不易掺入，能够获得更高的纯度

• 2.12.2. 与区熔法相比，直拉法制作工艺简单，制作成本更低，生产效率高，更加成熟，制作出的单晶机械强度更高，便于获得大尺寸晶圆，广泛应用于大规模数字集成电路

• 2.12.3. 使用直拉法制作而成的单晶硅，整体呈柱状，头部为圆锥形，被称为硅锭(Silicon Ingot)

2.13. 集成电路对硅晶圆的需求为更大的尺寸与更高的纯度，但在综合考虑性能价格比等因素后，今天集成电路产业使用的硅晶圆，其尺寸为12in，其纯度为99.999999999%，即11个9的精度

2.14. 双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)

• 2.14.1. 在集成电路出现后30余年的时间里，BJT晶体管始终是制作数字集成电路的首选

• 2.14.2. BJT晶体管由两个PN结，三个层次组成

• 2.14.3. BJT晶体管更大的一项弱点，也是其工作必不可少的一个环节是，基极在BJT晶体管导通时始终存在电流，总有一部分功耗浪费于此

2.15. 由“与”​“或”​“非”与“触发器”这些门级电路组合而成，被称为逻辑门集成电路

• 2.15.1. 基于DTL与TTL电路，可轻易实现集成电路最基本的逻辑单元“与非门”​

• 2.15.2. (Diode-Transistor Logic，DTL)电路

• 2.15.3. (Transistor-Transistor Logic，TTL)电路

2.16. 1950年，西泽润一发明基于碳化硅的晶体管(Static Induction Transistor，SIT)

• 2.16.1. 这种晶体管是结型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor，JFET)的前身，曾经大规模应用于高端音响领域

• 2.16.2. JFET晶体管诞生后不久，贝尔实验室制作出一种在今天依然广泛使用的场效应晶体管

• 2.16.3. 场效应晶体管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

2.17. 1959年，从埃及与韩国分别移民到美国的Mohamed Atalla与Dawon Kahng，发明了MOSFET晶体管

• 2.17.1. MOSFET也是一种单极型晶体管，其工作时仅使用一种载流子并同样由源极、漏极与栅极组成，其栅极最初使用金属实现，这是“M”的来源

• 2.17.2. 栅极与衬底使用氧化物(Oxide)隔离，这是“O”的来源

• 2.17.3. MOSFET整体由半导体实现，这是“S”的来源

3. CMOS

3.1. CMOS(Complementary MOS)

• 3.1.1. 由两个不同类型MOSFET组成的互补场效应晶体管

• 3.1.2. 在CMOS生态确立之后，对硅材料最大的改进来自应变硅技术

• 3.1.3. 平面工艺最大的优化，在于围绕光刻机展开的各类设备与材料的持续进步

• 3.1.4. CMOS晶体管结构的不断调整，则贯穿于摩尔定律一路前行的始末，最初基于二维平面持续缩短尺寸，而后陆续出现了FinFET(Fin Field-Effect Transistor)、GAA(Gate-All-Around)这些三维晶体管结构

3.2. 从20世纪70年代开始，日本半导体产业界深度研究了CMOS技术，并将其应用于功耗敏感，却不在意性能的电子表与计算器领域

3.3. RCA公司基于CMOS晶体管，成功研制出功耗极低的SRAM芯片

3.4. 1978年，日立的Toshiaki Masuhara提出“双阱工艺”​

• 3.4.1. 日立使用双阱工艺制作出一颗4kbit的SRAM芯片，其性能与Intel采用nMOS工艺制作的SRAM相当，却仅需使用15mA电流

• 3.4.2. 基于nMOS工艺实现同样大小的SRAM需要110mA电流

3.5. CMOS晶体管的最大优点是功耗远低于其他类型的晶体管，在理想情况下，静态功耗约为零

• 3.5.1. 互补工作方式是CMOS晶体管的突出优点，使得CMOS晶体管在正常区域内工作时功耗极低，而且具有较强的抗外部干扰能力

• 3.5.2. CMOS晶体管的弱点是pMOS不易优化

• 3.5.3. CMOS晶体管的性能低于单独的nMOS晶体管，也低于BJT晶体管，使得CMOS晶体管的其他优点被美国厂商所忽略，也为日本半导体产业在未来的强势崛起埋下了伏笔

• 3.5.4. 伴随摩尔定律的推进，集成电路容纳的晶体管数目呈指数增长，CMOS晶体管低功耗与集成度的优势凸显

• 3.5.5. 这种晶体管完全确立了在大规模集成电路中的地位，成为步迄今为止唯一的选择

• 3.5.6. CMOS晶体管是继硅与平面工艺之后，制作大规模集成电路的最后一块拼图

3.6. 硅​、平面工艺与CMOS晶体管完美组合在一起，演进为CMOS工艺

• 3.6.1. 这种工艺也是“硅+CMOS晶体管+平面制作”生态的另外一种称呼

• 3.6.2. CMOS工艺的三大组成部分，硅、CMOS晶体管与平面制作呈三角结构，相互支撑、相互依赖，形成了一个庞大的制作生态

• 3.6.3. CMOS工艺不仅可以制作晶体管，而且可以集成被动元器件，包括电阻、电容与电感，这些不足一厘钱的被动元器件，经CMOS工艺集成后，制作成本几乎可被忽略

• 3.6.4. CMOS工艺无孔不入，在图像传感器领域，基于CMOS工艺的CIS(CMOS Image Sensor)已经成为主流

• 3.6.5. 持续优化CMOS工艺，拥抱由“硅+CMOS+平面制作”所组成的生态，制作出性能更高，尺寸更小的CMOS晶体管，使其应用至更多领域，至今依然是半导体制造业的核心，也是驱动摩尔定律持续前行的源动力

• 3.6.6. “硅+CMOS晶体管+平面制作”生态建立于上游的设备与材料，仅在半导体工厂中完整呈现，而且这个生态呈松耦合状态联系在一起，没有“x86与Windows”​“ARM与Android”这类应用级生态更受关注，却更加紧密地耦合在一起

• 3.6.7. CMOS晶体管与平面制作以硅为基石

• 3.6.8. 硅与CMOS晶体管以平面制作为基础

• 3.6.9. 平面制作与硅在晶体管领域最成功的结合是CMOS晶体管

• 3.6.10. CMOS工艺的上限受制于硅的材料特性，使得在集成电路领域，替换硅的尝试始终没有停止过，至今难见曙光