第1章 半导体芯片制造概述

半导体产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一，半导体产业的发展不仅带来了世界经济与技术的飞速发展，而且也带来了整个社会的深刻变革，从日常使用的手机到航天飞机，处处都有半导体产品的身影。

1.1 半导体工业发展概述

1.电信号处理工业的诞生

1904年，弗莱明在真空中加热的电丝前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管，利用新发明的电子管，可以给电流整流。

1906年，德佛瑞斯特在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。真空管有三个元件，由一个栅极和两个被栅极分开的电极在玻璃密封的空间中构成。密封空间内部为真空，以防止元件烧毁并易于电子的移动。真空三极管不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此，许多人都将三极管的发明看做电子工业真正的诞生起点。真空三极管使得收音机、电视和其他消费类电子产品成为可能。它也是世界上第一台电子计算机的大脑，这台被称为电子数字集成器和计算器（ENIAC）的计算机于1947年在美国宾西法尼亚的摩尔工程学院进行了首次演示。

真空管有一系列的缺点，体积大，连接处易变松导致真空泄漏，易碎，要求相对较多的电能来运行，并且元件老化很快。基于真空管的计算机的主要缺点是由于真空管的烧毁而导致运行时间有限。这些问题成为许多实验室寻找真空管替代品的动力。

2.晶体管的发明

晶体管是半导体制成的固体电子元件。像金银铜铁等金属，它们导电性能好，叫做导体；而木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电，叫做绝缘体。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫做半导体。晶体管就是用半导体材料制成的，这类材料最常见的是锗和硅两种。

1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。三位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管，如图1.1所示。

晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。晶体管不但有真空管的功能，而且具有固态、体积小、质量轻、耗电低并且寿命长的优点。作为主要部件，它首先在通信工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路及大规模集成电路应运而生，这使制造像高速电子计算机之类的高精密装置变成了现实。

图1.1 第一个晶体管

3.集成电路的产生

晶体管的问世被誉为20世纪最伟大的发明之一，它解决了电子管存在的大部分问题。可是单个晶体管的出现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要。随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展的日趋复杂，电子设备中应用的电子器件越来越多。例如，第二次世界大战末出现的B29轰炸机上装有1千个电子管和1万多个无线电元件；电子计算机就更不用说了，1960年上市的通用型号计算机有10万个二极管和2.5万个晶体管。一个晶体管只能取代一个电子管，极为复杂的电子设备中就可能要用上百万个晶体管。一个晶体管有3只引脚，复杂一些的设备就可能有数百万个焊接点，稍有不慎，就极有可能出现故障。为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破，这些都预示着集成电路技术的问世。集成电路是在一块极其微小的半导体晶片上，将成千上万的晶体管、电阻、电容及连接线做在一起，它是材料、元件、晶体管三位一体的有机结合。本质上，集成电路是最先进的晶体管——外延平面晶体制造工艺的延续。

1958 年12 月，在美国德州仪器公司（TI）工作的基尔比成功地制作出世界上第一片集成电路，如图1.2所示。他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既作为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。

图1.2 第一片集成电路

4.工艺发展趋势及摩尔定律（Moore’s Law）

从1947年开始，半导体工业呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。工艺的提高使得具有更高集成度和可靠性的集成电路不断产生和发展，从而推动了电子工业的革命。这些工艺的改进归为两大类：工艺和结构。工艺的改进是指以更小的尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度、更多的元器件数量和更高的可靠性；结构的改进是指新器件设计上的发明使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。

集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中最小尺寸来表示的，叫做特征图形尺寸，通常用微米来表示。

英特尔（Intel）公司的创始人之一Gordon Moore在1964年预测了集成电路的发展趋势，提出了集成电路的集成度会每十八个月翻一番，即单个芯片上晶体管的数目每十八个月翻一番，这个预言后来成为著名的摩尔定律并被证明十分准确。

摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，指出集成度的提高主要是三个方面的贡献：一是特征尺寸不断缩小；二是芯片面积不断增大；三是集成电路结构的不断改进。在回顾半导体芯片业的进展并展望其未来时，“摩尔定律”对整个半导体世界意义深远。