集成电路工艺技术的发展

微电子学－如果用最精炼的语言来解释，就是微型电子学。那么它有多微小呢？目前，作为微电子学发展标志的集成电路，其最小线宽已经低于30nm，比我们目力可及的所有物体都要小，甚至比我们看不见的红细胞、细菌以及最小的灰尘颗粒还微小，只比碳原子和DNA双螺旋结构稍稍大一些（如图1.1所示）。

    图1.1　集成电路最小线宽与代表性物体的尺度比较

        或许大部分人对纳米并没有直观的慨念，因为它不像厘米和毫米，可以用肉眼来量度分辨。其实一米已经相当于十亿纳米，　如果将日常用品以纳米作为直径度量单位，那么一颗钉子大约等于2千万纳米。针头大小约为150万纳米，相当于三万余颗45纳米晶体管加在一起。一根人类毛发约等于9万纳米，相当于两千多颗45纳米晶体管。连看不到的细菌，直径也有2,000纳米，大约相当于45颗45纳米晶体管，由此我们可以了解一颗45纳米的晶体管有多么细小，要清楚地看到它，必须借助非常先进的显微镜。此外，一颗45纳米晶体管每秒可开关约三千亿次，在它开关一次的时间内，光线行经的距离还不到1∕10英吋。　

        微电子学达到到今天这样的技术水平，经过了半个多世纪的发展历程。在作为微电子学发展标志的集成电路出现之前，电子学还处于分立器件时代。最初的电子元器件是真空电子管，它很脆、易碎、体积庞大、不可靠、耗电量大、效率低以及工作时释出大量热能。为了解决这些问题，贝尔实验室（Bell　Labs）的威廉·肖克利（William　Shockley）等人在1947年12月制作出了世界上第一支晶体管（如图1.2所示）。与真空管相比，晶体管体积细小、可靠、耐用、耗电量少而且效率高，使工程师们能够设计和制作出包括成千上万个不同元件的复杂电路。威廉·肖克利发明晶体管不到十年，即获得1956年　Nobel　物理学奖，可见这一发明对当时的科技和经济发展影响之大。

        但是不久后人们发现，体积细小的晶体管也带来另一个问题：以人工焊接的方式把这些细小元器件接驳起来，不仅花费大量时间和金钱，而且可靠性较低，电路中成千上万的焊点都有可能出现问题。此时，历史戏剧般地重演，过去人们针对电子管列举的种种弊端和责难，现在又统统加到晶体管的身上，电子业再一次面临历史性变革。接下来要解决的问题，是要找出一种既可靠又合乎成本效益的方法以生产和焊接电子元器件。

    图1.2　威廉(肖克利及其发明的晶体管

        转机出现在1958年夏天的达拉斯。德克萨斯仪器（TI）公司的工程师杰克(基尔比（Jack　Kilby）利用放暑假的机会，成功地在一块锗片上制备了若干个晶体管、电阻和电容，并用热焊的方法用极细的导线互连起来。世界上第一块“集成”的固体电路就诞生在这块微小的平板上，在不超过4平方毫米的面积上，大约集成了20多个元器件（如图1.3所示）。1959年2月，　基尔比向美国专利局申请专利，这种由多个元器件组合的微型固体被称做“半导体集成电路”，是一种用于无线电设备的“振荡器”。

        实际上早在1952年，英国科学家达默就曾指出，由半导体构成的晶体管，完全可以组装在一块平板上而去掉之间的连线，半导体甚至也可以构成电阻、电容等元器件。因此，当时世界上理解集成电路思想并正在进行尝试的，并非只有基尔比一人。当发明集成电路的消息从达拉斯传到硅谷的时候，仙童半导体公司（Fairchild　Semiconductor）的诺依斯（Robert　Noyce）等人惊讶万分。因为他们早在基尔比之前已开始研究集成电路的制备技术，一些让基尔比感到为难的问题，比如硅材料问题，在硅片上进行两次扩散和用蒸发沉积金属代替热焊的导线互连等等，诺依斯等人已经或正在解决。1959年7月，他们也向美国专利局申请了发明专利，时间比基尔比晚了半年。于是，两家公司为争夺集成电路的发明权打起了官司。

    图1.3　杰克(基尔比制备的世界上第一块集成电路

        其实，在集成电路的制造技术上，诺依斯与基尔比的方法并不相同。1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明，基尔比和诺依斯的大名并列写进了集成电路的发展史册。

        至此，集成电路的定义已经明确：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件以及电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。集成电路的出现，使电子产品得以小型化，而且价格急剧下降、功耗和故障率降低，极大地促进了科技和经济的发展。

        在我们熟悉的电子计算机的发展过程中，可以很清楚地看到集成电路所发挥的作用。1945-1956年的第一代计算机是电子管计算机，1947年问世的世界上第一台电子管计算机　ENIAC占地170平方米（长24米，宽6米，高2.5米），重30吨，有1.8万个电子管，功率140kW，用十进制计算，每秒运算5000次，平均无故障运行时间为7分钟，当时有科学家认为全世界只需要4台ENIAC。1956-1963年诞生了第二代晶体管计算机，首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科学的大量数据处理，这些计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定，但价格昂贵，生产数量极少。虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，会损害计算机内部的敏感部分。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM　360系统，标志着第三代集成电路计算机的出现。5年之内，IBM360共售出32300台，创造了电子计算机销售中的奇迹。不久后，与360电脑兼容的IBM370接踵而至，其中最高档的370∕168机型，运算速度已达到每秒250万次。随着集成电路的快速发展，1971年出现了第四代大规模集成电路计算机。目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人的年工作量。

        集成电路从诞生到今天的半个多世纪，已经发生了翻天覆地的变化。1961年诺依斯等人制备的第一块硅平面工艺集成电路只集成了几十个晶体管，而四十多年后他参与创立的Intel公司生产的Pentium微处理器（Extreme　Edition　955）,　在162平方毫米的芯片上已经可以集成3亿7600万个晶体管（如图1.4所示），在这种巨大进步的背后，集成电路工艺技术起到了非常大的推动作用。

    图1.4　集成电路集成度在半个世纪内发生的变化