1.1 集成电路发展历史

1.1.1 世界上第一个晶体管

半导体时代开始于1947年的圣诞节前夕。AT&T贝尔（Bell）实验室的两位科学家John Bardeen（约翰·巴定，1908年5月23日-1991年1月30日）和Walter Brattain（华特·布莱登，1902年2月10日-1987年10月13日）展示了一个由锗（第一代半导体材料）制成的固态电子元器件。两位科学家观察到当电流信号施加到锗晶体的接触点时，输出的功率将大于输入的功率，这项研究成果于1948年公布。这就是世界上第一个点接触型晶体管，如图1.1所示。单词“transistor”是由“transfer”和“resistor”两个单词组合而成的。

约翰·巴定和华特·布莱登两位科学家的领导--William Shockley（威廉·肖克莱，1910年2月13日-1989年8月12日）也不甘置身于这项重要的发明之外，决定做出自己的贡献。肖克莱在圣诞节期间认真工作并推导出了这种双载流子晶体管的工作原理，并在1949年发表了晶体管理论，同时也预测了另一种更容易量产的晶体管的出现，这就是面接触式双载流子晶体管（Junctions Bipolar Transistor）。威廉·肖克莱、约翰·巴定和华特·布莱登三人因为晶体管的发明而分享了1956年的诺贝尔物理学奖。图1.2为发明第一个晶体管的三位科学家。

（来源：http：//www.wired.com/thisdayintech/tag/bell-labs/）

由于军事和民用对电子元器件的大量需求，半导体产业在20世纪50年代得以快速发展。基于尺寸小、耗电量低、工作温度低和反应速度快等优点，以锗为原料的晶体管很快取代了多数电子产品中的真空管。高纯度单晶半导体材料的生产技术出现以后，加速了晶体管的生产。第一个单晶锗于20世纪50年代出现，第一个单晶硅在1952年问世。整个20世纪50年代期间，半导体工业发明了分离式元器件并用于制造录音机、计算机和其他民用和军用产品。所谓的分离式元器件就是一种电子元器件，如电阻器、电容器、二极管和三极管，分离式元器件现在仍广泛应用在电子产品上，技术人员可以很容易地在许多先进电子系统的印制电路板（PCB）上发现这种分离式元器件。

华特·布莱登在发明了第一个晶体管后去了其他实验室工作，他在贝尔实验室进行表面态的研究并兼管理工作，直到1967年退休。

约翰·巴定离开贝尔实验室后成为美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授，于1951年开展超导研究工作。1957年，他与其合作者Leon Cooper和John Robert Schrieffer提出了一种超导理论，后来被称为BCS理论（姓氏的缩写）。由于BCS理论，他们分享了1972年诺贝尔物理学奖。他成为第一位两次赢得诺贝尔物理学奖的人。

1956年，威廉·肖克莱离开位于新泽西的贝尔实验室回到他的加州老家，在旧金山湾区南方的山谷开创了肖克莱半导体实验室。在贝尔曼仪器公司的财政支持下，肖克莱的实验室将本来种满杏树的山谷转变成世界高科技中心的鼻祖，即今日众所周知的硅谷。肖克莱吸引了许多有才华的科学家和工程师［如罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）和哥登·摩尔（Gordon Moore）］到他的实验室工作。

虽然肖克莱的半导体实验室产生了许多杰出的研究成果，但由于领导人的个性和管理因素，使肖克莱半导体实验室始终没有成为成功的企业。罗伯特·诺伊斯、哥登·摩尔和其他人于1957年离开了肖克莱半导体实验室，另外成立了由费尔查德摄影机公司资助的费尔查德半导体公司。这些物理学家成功地追寻并实现了肖克莱的最初目标，即在硅衬底上制造晶体管。

威廉·肖克莱也在1963年离开了半导体工业专任斯坦福大学电机工程系的教授，他后来因为鼓吹关于“人类智慧属于遗传”的学说而备受争议，因此被许多人视为种族偏见主义者。

1.1.2 世界上第一个集成电路芯片

1957年，在一个为了庆祝贝尔实验室发明晶体管十周年的会上，杰克·克毕（Jack Kilby）注意到大多数的分离式元器件，如电阻器、电容器、二极管和晶体管都可以由硅半导体材料制成，所以有可能将这些分离式元器件做在同一块半导体衬底上，再将它们连接在一起组成一个完整电路，这样便可以制造出更小的电路以降低产品的成本。1958年，杰克·克毕加入德州仪器公司（Texas Instruments，TI）。作为一位新进员工，克毕没有假期，因此当他的同事都在享受暑假时，克毕独自在R&D实验室里将他的集成电路构想付诸实践，等他的同事休假回来时，他便提出他的构想并展示出成果。由于硅晶片不易取得，克毕只能利用手边能找到的资源，也就是一片上面还带有一个晶体管的锗条，他利用这个锗条做成三个电阻器，并加入一个电容器，利用细白金线连接晶体管、电容器和锗条上的三个电阻器，杰克·克毕制造出了世界上第一个集成电路，如图1.3所示。在德州仪器公司，集成电路被称为“条”而非“芯片”，原因就在于杰克·克毕的第一个集成电路的外形是由锗条做成的。

同时在费尔查德摄影机公司工作的罗伯特·诺伊斯也正致力于“低成本、高产量”产品的开发，不同于克毕的IC芯片是用真正的金属线连接不同元器件，诺伊斯的芯片是利用刻蚀沉积在晶圆表面的铝薄膜所形成的铝线连接各个不同的元器件。由硅材料取代锗，同时应用他的同事珍·贺妮（Jean Horni）开发的平坦化技术，诺伊斯制作出了面接触式晶体管，这个晶体管充分利用了硅材料和它的天然氧化层--二氧化硅的优点，在高温氧化炉中，硅晶圆表面很容易生长出高稳定性的二氧化硅层，作为电隔离和扩散阻挡层。

费尔查德的公司于1961年制作出第一批可用于商业化的集成电路，这些集成电路仅由四个晶体管组成，每个售价为150美元，然而这样的价格要比购买四个晶体管，并将它们连接在同一个电路板上所形成的相同电路贵得多。美国太空总署是这种新型集成电路芯片的主要客户，因为火箭科学家和工程师们宁愿付出较高的成本减轻太空火箭的重量。

图1.4为费尔查德的罗伯特·诺伊斯1960年制造出的第一个硅集成电路芯片，这个集成电路芯片由一个2/5英寸（约10mm）的硅晶圆制成。诺伊斯的芯片使用了现代集成电路芯片的基本制造技术，同时也成为所有后继集成电路的原型。

经过多年的专利权纠纷之后，德州仪器公司和飞兆半导体终于同意交叉授权彼此的技术，杰克·克毕和罗伯特·诺伊斯共同分享发明集成电路的专利。

杰克·克毕继续在德州仪器公司工作，并在1983年正式退休。由于发明了集成电路，2000被授予诺贝尔物理学奖。图1.5是杰克·克毕的照片。

罗伯特·诺伊斯离开飞兆半导体后，和安德鲁·葛洛夫及哥登·摩尔1968年共同成立英特尔（Intel）公司。诺伊斯在1988年成为德州奥斯丁Sematech的执行总裁，这是一个半导体制造的国际联合组织。图1.6是罗伯特·诺伊斯的照片。

（来源：http：//media.aol.hk/drupal/files/images/200811/25/kilby_jack2.jpg）

（来源：http：//download.intelcom/museum/research/arc_collect/history_docs/pix/noyce1.jpg）

1.1.3 摩尔定律

集成电路工业于20世纪60年代快速发展。1964年，哥登·摩尔，即英特尔公司的创始人之一，注意到计算机芯片上的元器件数目几乎每12个月就增加一倍，但价格却没有改变。于是他预测这种趋势在未来也不会改变，这种预测随即成为半导体工业界众所周知的摩尔定律。令人惊讶的是，过去四十多年一再证明摩尔定律的正确性，只有1975年稍做调整（摩尔将12个月改为18个月）。图1.7显示了1965年摩尔的预言，图1.8为最新的摩尔定律微处理器发展趋势。

表1.1列出了半导体工业中使用的IC芯片集成水平。

（来源：http：//www.intel.com/technology/mooreslaw/）

表1.1 IC芯片集成水平

（来源：http：//www.is.umk.pl/～duch/Wyklady/komput/w03/Moores_Law.jpg）

1.1.4 图形尺寸和晶圆尺寸

2000年之前，半导体工业中图形尺寸通常以微米（μm）计算，相当于1m的10-6。人的头发直径大约为50～100μm。2000年之后，半导体工业发展到了纳米（nm）尺度，1nm相当于10-9m。不到五十年的发展时间，集成电路的最小图形尺寸已经大幅缩小，由20世纪60年代的50μm发展到2010年的32nm。通过缩短最小图形尺寸，科学家和技术人员能制作出更小的元器件。这使每片晶圆可以产出更多的芯片，或者用同样的晶粒尺寸制作出性能更强的芯片。这两种结果都将帮助集成电路制造者在生产IC芯片的同时获得更大的利益，这是集成电路技术发展中最重要的原动力。

当技术节点从28nm缩小到20nm时，同样大小的芯片也相对缩小了（20/28）2～0.51倍。如果芯片和晶圆都是正方形，这就表示潜在的芯片数目几乎可以增加一倍（但由于硅晶圆是圆形的，边缘效应只能使芯片数目增加约50%）。同理，如果再将图形尺寸进一步缩小到14nm，相对于28nm制造技术，芯片数目几乎可达4倍（如图1.9所示）。

图1.10显示了已知最小的MOS晶体管，有效栅长为0.004μm，或4nm。由NEC在2003年国际电子器件会议（IEDM）上发表。

（来源：Hitoshi Wakabayashi，et al.，ProceedingofIEDM，20-7，2003. ©IEEE）

自问自答

问：图形尺寸是否有最小极限？

答：有，硅晶圆上的微电子元器件最小图形尺寸不能小于两个硅原子的间距，即5.43Å。（1Å=0.1nm=1×10-10m）。

问：IC芯片的最小图形尺寸有可能达到什么程度？

答：集成电路发展过程中已经预言了很多最小的图形尺寸，作者不排除以下的预言能实现。单一硅原子不足以构成一个微电子元器件。因此，如果需要10个硅晶格原子构成最小图形，IC芯片的最小图形尺寸可以小到50Å或5nm。

当最小图形尺寸达到物理极限前，仍需要克服许多技术方面的挑战。最值得注意的是图形化制造技术，这种技术是将设计好的图形转印到晶圆表面构成集成电路元器件，这也是集成电路制造中最基本、最关键的工艺之一。目前使用的光学光刻技术将被另外的光刻技术取代，如极紫外线（EUV）光刻、纳米压印（NIL）或电子束直写技术（EBDW），直到最小图形尺寸达到最终的物理极限为止。这些内容将在第7章详细讨论。

当最小图形尺寸不断缩小时，晶圆的尺寸却持续增大。晶圆尺寸已由20世纪60年代的10mm（约2/5英寸）增大到目前的300mm（约12英寸）。由于晶圆尺寸的增大，使单一晶圆上可以放置更多的芯片。从200mm到300mm，晶圆的面积增加了（3/2）2=2.25倍，这表示在每个300mm晶圆上的芯片数目可以增加一倍多。图1.11说明了150mm、200mm、300mm和450mm晶圆的相对晶圆尺寸比例。

自问自答

问：晶圆最大尺寸可以达到多少？

答：没有人能给出这个问题的确切答案，平板显示器制造设备已经开始处理尺寸为2850mm×3050mm的第十代玻璃衬底，机械处理直径为1000mm（1m）的硅晶圆没有任何大的问题。然而，晶圆的尺寸受许多因素的限制，如单晶的提拉、晶圆切片技术、工艺设备的发展，以及最重要的是IC技术的需要。因为研究和发展大晶圆需要大量的初始资金投资，并不是每个IC制造商开始就热心于此。现在用于IC中的最大晶圆为300mm，而且正成为先进IC工艺生产的主流。目前最大的晶圆已经达到450mm，原计划从2012年开始用于IC生产。然而，大多数半导体制造商和设备制造商缺乏足够的热心将大量的资金投入到450mm工艺方面，所以450mm技术能够进入IC工业的时间被推迟到2018年。如果450mm晶圆技术最终进入了IC生产，则将是最大的晶圆。

1.1.5 集成电路发展节点

技术节点（如45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm等）不能作为器件的最小特征尺寸。技术节点被定义为密集图形的半间距，图1.12所示为图形特征尺寸与图形间距和半间距的关系。虽然可以相对容易地降低特征尺寸，如调整光刻胶可以显著降低关键尺寸（CD）的光刻胶图形，如图1.12（b）所示，但并不容易减少图形间距。为了减小图形间距，需要提升图形化技术，包括光刻和刻蚀工艺。

不同的IC器件，技术节点和图形间距的关系不同。例如，对于NAND闪存器件，没有栅极之间的接触，技术节点定义为栅极图形的半间距。因此，一个20nm的NAND闪存芯片具有20nm栅极图形半间距。对于具有栅极接触的逻辑IC器件，技术节点通常是栅极间距的1/4。例如，一个20nm逻辑器件通常具有80nm的栅极间距。

1.1.6 摩尔定律或超摩尔定律

集成电路自发明以来已经得到迅速发展，之前集成电路制造技术的发展符合摩尔定律，如图1.8所示。然而，半导体技术进步的实际推动力并不是所谓的“摩尔定律”，而是“超摩尔定律（利润）”。通过缩小特征尺寸，可以在同一个晶圆上制造更多的芯片，或将更多的元器件制造在同一个芯片上。通过减小器件的特征长度，可以提高器件工作速度、降低功耗并提高器件的性能。因此，通过利用新的技术降低器件最小特征尺寸可以减少制造成本，提高利润，增加企业的竞争力。当研究和发展的成本通过缩小特征尺寸调整时，IC制造商有很大的兴趣投资大量资金发展新技术并促使器件特征尺寸继续减小。五十多年来，IC技术在摩尔定律推动下应用得很好。然而，当IC技术节点达到纳米尺度时，简单地缩小最小特征尺寸并不能使器件性能进一步提高，这是由于栅介质的漏电，解决这个问题需要高k介质栅和多层金属技术。在纳米技术时代，研究和发展所需的设计成本成倍增加。对于45nm技术，已经有一些公司不能单独负担起15亿美元的研发费用。当器件特征尺寸缩小到32nm/28nm、22nm/20nm、14nm或更小节点时，只有很少的IC制造商能完全负担起研发费用。在可以预见的将来，摩尔定律将变成历史，IC制造技术的发展将通过新摩尔定律（或超摩尔定律）引导。半导体产业将成为一个如汽车行业一样成熟的行业，技术将以一个较为适度的速度继续发展。