CMOS 结构 工艺无小事

　　硅平面工艺不仅可以在同一硅片上制作出许多BJT 以及电路元件、互连等，还可以制作出器件之间的p-n 结隔离，因此首先发明的是BJT IC。不过在这种IC 中，“隔离墙”占用的面积过大，再加上BJT 是电流控制型器件，功耗比较大，所以限制了集成规模的提高。

　　如果能有一种可以实现自隔离的器件，如果再是电压控制型，那将是构成IC 的理想器件。这种器件早在1930 年J．Lilienfeld 的美国专利和1935 年O．Heil 的英国专利中已经提出构想，即IGFET（绝缘栅场效应晶体管——Insulator Gate Field Effect Transistor）的器件结构。

　　很可惜，限于当时的工艺水平，这种器件未能实现。

　　到1960 年代初，利用Si 平面工艺做出了MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应晶体管——Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor），这是以SiO2 作为绝缘栅的IGFET。首先做出的MOSFET 是负极性p 沟道器件，制作正极性的n 沟道器件遇到一些困难。

　　A．S．Grove，B．E．Deal，E．H．Snow 和C．T．Sah 等几位物理学家对Si-SiO2 界面做了透彻的研究，解决了界面态和Na＋离子的影响问题，把MOSFET，包括n-MOS、p-MOS的器件水平提高一大步。在这几位科学家中，Grove 后来创建了Intel，成了杰出的管理学家，Deal 做出过第一个Si 晶体管，C．T．Sah 在1963 年与F．M．Wanlass 一起提出了CMOS结构及技术，成为30 年来制作IC 的绝对主流工艺，占到90%以上。

　　CMOS（互补MOS—Complementary MOS）是把n-MOS 和p-MOS 连接成互补结构，两种极性的MOSFET 一关一开，几乎没有静态电流，很适于作为逻辑电路，因此CMOS IC 首先用于实现布尔功能的数字电路。

　　Moore 定律说的是IC 集成度三年四番，也就是芯片上的晶体管数目以累进年均增长率CAGR=1.58 增长，（1.58）3≈4，即指数增长。指数增长不容易持久的原因是在后期增长的绝对值太大。一张0.1mm 厚的纸，折一折变为0.2mm，折到20 折的厚度是100 米。Moore定律之所以著名，就是因为它这个指数增长持续几十年。Moore 定律之所以能持续就是因为CMOS 有许许多多的工艺发明和技术进步，使得晶体管的尺寸由10μm 缩小至0.1μm，提高了晶体管的面密度；使得芯片面积从几个mm2 增加到几百mm2。正是由于工艺精度的提高和匀场面积的扩大，才使得Moore 定律得以保持。

　　CMOS 工艺的发明和进步主要包括：用离子注入代替高温扩散掺杂，用CVD（化学气相沉积—Chemical Vapour Deposition）生长SiO2、Si3N4、多晶硅等薄膜，用RIE（反应离子刻蚀—Reactive Ion Etching）代替湿法刻蚀，用poly-Si（多晶硅）作为栅极代替铝栅，用Stepper（步进光刻曝光机）代替精缩版曝光机，用铜互连代替铝互连，等等。CMOS 的技术进步是惊人的，但每一项工艺发明或者改进，哪怕是很小的改进，都不容易，可以说“工艺无小事”。以铜互连工艺为例。作为电学互连的材料，铜优于铝，这是尽人皆知的常识，但是真正用到IC 互连上，却花费了十几年的工夫。1985 年IBM 就开始立项研究，直到1998年，还是与诺发公司（Novellus System）合作，才完成铜互连在IC 中的应用，其中的艰难可想而知。IBM 开发铜互连工艺是一项很有远见的决策，已经成为0.13μm 以下互连工艺的唯一选择。

　　说到CMOS 的工艺进步，一定不要忘记工艺设备制造厂家和材料厂家的功劳。他们汇集了物理学、化学、材料学、控制学以及制造技术等诸多方面的顶级成果，真可谓无所不用其极，为CMOS 的工艺进步建立了非常好的支撑环境。顺便说一句，也正是由于IC，才使得硅成为自然界100 多种元素中研究得最深入、最广泛，了解得最透彻、最全面的元素，包括硅的各种形态、各种衍生物的物理学、化学、机械学以及经济学等多方面的性质，可以说是无所不至其微。