观点丨微电子制造工艺科普• 晶体管（1）
感觉目前关于微电子制造技术没有一个比较准确和系统的文章。有一些做IC的童鞋，略有涉及，但都是很表面的。我希望以工艺工程师的角度，比较完整地把微电子制造工艺展现给大家，让大家对晶体管的制程有一个初步的了解。当然，我这里是从学术界的角度去讲，工业界大规模生产又是另外一回事了，但是基本步骤和原理是一样的，我们也就只能管中窥豹了。
一、晶体管
1.1 简介
很简单，看官就把晶体管看成是一个开关就行了。想象一个黑盒子，伸出三个端口。一个端口是闸刀，就是控制开和关这两个状态的，比如说给信号0就关，给信号1就开。另外两个端口，一个是电流的进口，一个是电流的出口。给信号0，电流断开；给信号1，电流连上。这个开关最理想的工作状态是，给0 V（也就是信号0），或者0 V以下，没有任何电流流过那两个端口；给一个开启电压（比如1 V，也就是信号1），有电流流过，而且这个电流越大越好。另外这个开启电压我们希望越小越好，因为所需电压越小，功耗就越低。
那为什么简单的开关就可以组成如此功能强大CPU呢？其实就是这样，开关的不同连接方式就可以组成不同的门，比如或门、与门、非门，而这三种门就可以达成所有运算逻辑了。2014年发布的 Core i7 Haswell 大概集成了1,400,000,000个晶体管。提一句，所谓22 nm制程指的是，源极和漏极中间的距离，也就是有效沟道长度。
说到这里，就不得不提一下摩尔他老爷子，英特尔的联合创始人。他著名的摩尔定律一直主宰着半导体业界的发展：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。近两年关于摩尔定律能否持续的讨论一直都有，但大致的趋势没有动摇。下面摩尔老爷子镇楼。
图1 76岁时的摩尔老爷子
1.2 结构
这里要介绍的是我们组里做的晶体管，叫做薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）。字面看，就是一层一层薄膜堆叠出来的晶体管。与工业界通用的基于Si的MOSFET，或者FinFet不同，但是原理一样，而且工艺更简单。所以用这个来介绍可以让读者更加方便的了解器件制程技术。
图2 TFT 示意图
不论TFT还是MOSFET，FinFET，基本结构都是一样的：Gate（栅极）、Source（源极）、Drain（漏极）。和上文相对应，gate就是控制开关，而S/D就是电流的两个端口，一个进一个出，谁进谁出无所谓，因为是对称的。
Gate：栅极，电极，可以是金属，上图用的是重掺杂的Si，已经是导体了
Dielectric layer：介电层，理想情况下是绝缘体，在沟道与栅极间形成电容
Channel：沟道，半导体，电子流动的地方
S/D：源极漏极，两个电极，金属
在“关”状态，理想情况下S/D电阻无穷大
在“开”状态，理想情况下S/D间电阻为零（但这显然不可能）
这个开关的工作原理其实很简单：首先，ZnO是n型半导体，电子导电。在源极接地的情况下，给gate apply一个正电压，电子从源极流向channel，开关打开，可以导电；给gate apply一个负电压，电子从channel流向源极（地），channel没电子，不导电，开关关住。
1.3 制造工艺
简单说，就是搭积木，一层一层搭上去。不同层用不同的工艺不同的机器，这里简略介绍每一层都是用什么设备做的，以后会详细叙述。
介电层 SiO2: 1. thermal oxide；2. PECVD deposited oxide
1. Thermal SiO2指的是把硅片放进卧式炉，高温下通氧气或者水蒸气，氧化硅片表面Si，实现SiO2
2. PECVD deposited SiO2：PECVD是等离子体增强型化学气相沉积的英文缩写，是一台真空设备。硅烷和笑气在等离子体和高温的帮助下反应生成二氧化硅，沉积在样品表面。
沟道ZnO：ZnO的实现方法有很多，笔者做的最多的是MOCVD，金属有机物化学气相沉积。简而言之，就是带有Zn基团的有机物在高温下和氧气反应，生成ZnO沉积在样品表面。另外还有溅射法。溅射法是利用等离子体轰击大块ZnO靶材，轰击出来的ZnO分子沉积在样品上。还可以用ALD做，原子层沉积。一层Zn一层O长上去。在后面的文章中都会有详细介绍。
源极漏极S/D：金属。用电子束蒸发沉积的方法把金属镀上去。电子束蒸发沉积就是用高能电子束轰击金属，使金属高温气化，气态金属原子就可以沉积到样品上了。
这里有一个很重要的问题就是，不论何种方法把材料镀上去，都是铺在整个样品上，那如何实现某个特定地方有，而其他地方没有呢？因为这项技术会在整个制造工序中反复出现，所以我们专门会有一篇文章论述。先卖个关子，我们下个文章见。
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