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半导体概述本章通过历史简介，在世界经济中的重要性以及纵览重大技术的发展和其成为世界领导工业的发展趋势来介绍半导体工业。并将按照产品类型介绍主要生产阶段和解释晶体管结构与集成度水平。目的完成本章后您将能够：1.描述分立器件和集成电路的区别。2.说明术语“固态，”“平面工艺”，““N””型和“P”型半导体材料。3.列举出四个主要半导体工艺步骤。4.解释集成度和不同集成水平电路的工艺的含义。5.列举出半导体制造的主要工艺和器件发展趋势。一个工业的诞生电信号处理工业始于由LeeDeforest在1906年发现的真空三极管。1真空三极管使得收音机,电视和其它消费电子产品成为可能。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年在宾西法尼亚的摩尔工程学院进行首次演示。这台电子计算机和现代的计算机大相径庭。它占据约1500平方英尺，重30吨，工作时产生大量的热，并需要一个小型发电站来供电，花费了1940年时的400,000美元。ENIAC的制造用了19000个真空管和数千个电阻及电容器。真空管有三个元件，由一个栅极和两个被其栅极分开的电极在玻璃密封的空间中构成(图1.2)。密封空间内部为真空，以防止元件烧毁并易于电子的自由移动。真空管有两个重要的电子功能，开关和放大。开关是指电子器件可接通和切断电流；放大则较为复杂，它是指电子器件可把接收到的信号放大，并保持信号原有特征的功能。真空管有一系列的缺点。体积大，连接处易于变松导致真空泄漏、易碎、要求相对较多的电能来运行，并且元件老化很快。ENIAC和其它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，这个努力在1947年12月23日得以实现。贝尔实验室的三位科学家演示了由半导体材料锗制成的电子放大器。这种器件不但有真空管的功能，而且具有固态（无真空）、体积小、重量轻,、耗电低并且寿命长的优点，起初命名为“传输电阻器”而后很快更名为晶体管（transistor）。JohnBarden,WalterBrattin和WilliamShockley,这三位科学家因他们的这一发明而被授予1956年的诺贝尔物理奖。固态时代第一个晶体管和今天的高密度集成电路相去甚远，但它和它的许多著名的后裔赋予了固态电子时代的诞生。除晶体管之外,固态技术还用于制造二极管、电阻器和电容器。二极管为两个元件的器件在电路中起到开关的作用；电阻器是单元件的器件承担限制电流的作用.；电容器为两个元件的器件在电路中起存储电荷的作用，在有些电路中应用这种技术制造保险丝。有关这些概念和器件工作原理的解释请参见第14章。这些每个芯片中只含有一个器件的器件称为分立器件（图1.4）。大多数的分立器件在功能和制造上比集成电路有较少的要求。大体上，分立器件不被认为是尖端产品，然而它们却用于最精密复杂的电子系统中。在1998年它们的销售额占全部半导体器件销售额的12%。2到20世纪50年代的早期半导体工业进入了一个非常活跃的时期，为晶体管收音机和晶体管计算机提供器件。集成电路分立器件的统治地位在1959年走到了尽头。那一年，在得州仪器公司工作的新工程师JackyKilby在一块锗半导体材料上制成了一个完整的电路。他的发明由几个晶体管、二极管、电容器和利用锗芯片天然电阻的电阻器组成。这个发明就是集成电路（integratedcircuit），第一次成功地在一块半导体基材上做出完整的电路。Kilby的电路并不是现今所普遍应用的形式，它是经RobertNoyce，然后最终在FairchildCamera完成的。图1.5是Kilby的电路，我们可以注意到器件是用单独的线连接起来的。早些时候在FairchildCamera的JeanHorni就已经开发出一种在芯片表面上形成电子结来制做晶体管的平面制作工艺（图1.6）。平面形式是利用了硅易于形成氧化硅并且为非导体（电绝缘体）的优点。Horni的晶体管使用了铝蒸汽镀膜并使之形成适当的形状来作器件的连线，这种技术称为平面技术（planartechnology）。Horni应用这种技术把预先在硅表面上形成的器件连接起来。Kilby和Horni的集成电路成为所有集成电路的模式，这种技术不仅符合当时的需要，而且也是小型化和推动工业发展的生产有效成本制造业的根源。Kilby和Horni共同享有集成电路的专利。图1.5Kibly书中记载的集成电路工艺和产品趋势从1947年开始，半导体工业就已经呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。工艺的提高导致了具有更高集成度和可靠性的集成电路的产生，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尺寸来制造器件和电路，并使之具有有更高的密度，更多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。一微米为1/10,000厘米或约为人头发的1/100。英特尔公司的创始人之一GordonMoore在1964年预言集成电路的密度会每十八个月翻一番，这个预言后来成为著名的摩尔定律并被证明十分准确（图1.7）。集成度水平表示电路的密度，也就是电路中器件的数量。集成度水平（integrationlevel）（图1.8）的范围从小规模集成（SSI）到超大规模（ULSI）集成电路，ULSI集成电路有时称为甚大规模集成电路(VVLSI).大众刊物上称最新的产品为百万芯片（megachips）。除集成规模外，存储器电路还由其存储比特的数量来衡量（一个4兆的存储器可存储四百万比特），逻辑电路的规模经常用栅极（栅极是逻辑电路中基本的功能元件）的数量来评价。特征图形尺寸的减小从小规模集成电路发展到今天的百万芯片，其中单个元件特征图形尺寸的减小起了重要的推动作用。这得益于光刻和多层连线技术的极大提高。图1.9为二十五年中实际和预期的特征图形尺寸的情况。半导体工业协会（SIA）预期到2012年特征图形尺寸会减小至50纳米（0.05微米）。3元件尺寸的减小所带来的好处是电路密度的增加。我们可以用一个家庭住宅区的布局做个比喻来解释这个发展趋势。住宅区的密度就取决于房屋大小,占地大小和街道宽度。如果要居住更多的人口，我们可以增加住宅区的面积（增加芯片区域），另一种可能则是减小单个房屋的尺寸并使它们占地较小。我们也可以用减小街道大小的办法来增加密度，然而,到一定程度时街道就不能再被减小了，或是就不够汽车通行的宽度了，而要保持房子的可居住性，房屋也不能无限制地减小，此时一个办法就是用公寓楼来取代单个房屋。所有的这些办法都应用在了半导体技术中。特征尺寸的减小和电路密度的增大带来了很多益处。在电路的性能方面是电路速度的提高，传输距离的缩短和单个器件所占空间的减小使得信息通过芯片时所用的时间缩短，这种更快的性能使那些曾经等待计算机来完成一个简单工作的人受益非浅。电路密度的提高还使芯片或电路耗电量更小，要小型电站来维持运行的ENIAC已被靠使用电池的功能强大的便携式电脑所取代。芯片和晶圆尺寸的增大芯片密度从SSI发展到ULSI的进步推动了更大尺寸芯片的开发。分立器件和SSI芯片边长平均约为100mils（0.1英寸），而ULSI芯片每边长为500mils（0.5英寸）或更大。IC是在称为晶圆（wafer）的薄硅片（或其它半导体材料薄片）上制造成的。在圆形的晶圆上制造方形或长方形的芯片导致在晶圆的边缘处剩余下一些不可使用的区域，当芯片的尺寸增大时这些不可使用的区域也随之增大。为了弥补这种损失，半导体业界采用了更大尺寸的晶圆。随着芯片的尺寸增大,1960年时的1英寸直径的晶圆已经被200毫米和300毫米（8英寸和12英寸）的晶圆所取代。缺陷密度的减小随着特征图形尺寸的减小，在制造工艺中减小缺陷密度和缺陷尺寸的需要就变得十分关键。在尺寸为100微米的晶体管上有一个1微米的灰尘可能不是问题，但对于一个1微米的晶体管来说会是一个导致元件失效的致命缺陷(图1.11)。正因为如此，污染控制的需要使得建造一个IC制造厂的花费升至十亿美元。内部连线水平的提高元件密度的增加带来了连线问题。在住宅区的比喻中,用来增加密度的策略之一是减小街道的宽度，但是到一定的程度时街道对于汽车的通行来说就会太窄。同样的事情也会发生在IC设计中，元件密度的增加和紧密封装减小了连线所需的空间。解决方案是在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。SIA的发展方向主要的IC参数是相互关连的。摩尔定律预言了未来元件的密度，由此引发了集成度水平（元件密度）、芯片尺寸、缺陷密度（和尺寸）和所要求的内部连线数量水平的计算。半导体工业协会以一系列“路线图”的形式对这些及其它关键器件和产品参数的未来作了展望。孔连接M1=第一层金属M2=第二层金属图1.12经过平面化工艺具有两金属的VLSI典型结构的横切面,它显示了经过平面化工艺后孔深的范围.(经SolidStateTechnology允许)芯片成本也许工艺和产品提高所带来的最大影响就是芯片的成本。图1.14展示了80年代时存储器芯片的成本逐年下降的情况。对于任何成熟的产品这个曲线都有代表性。价格开始时高，但随着技术的成熟和制造效率的提高价格会下降并最终达到稳定。虽然芯片的性能提高了，但价格却在持续地下降。在开始的30年中，半导体工业受到过2到5次经济冲击，这与铁路工业受到的冲击在同一时期。4影响芯片成本的因素将会在第15章讨论。成本降低和性能提高这两个因素推动了固态电子在产品中的使用。到90年代时,一个汽车所有的计算能力已经超过了第一架月球太空探测器，个人计算机更是令人鼓舞。今天，中等价位的台式机便有IBM在1970年制造的大型机的计算能力。图1.15说明了芯片的主要工业用途。到2008年时,全世界工业生产的晶体管将达到每个人十亿。5半导体工业的发展在整体上,半导体工业一直在全世界范围连续增长。从它50年代诞生时起，它在全世界每年的销售额正在接近2000亿美元，其相应的供应商产业超过了300亿美元。6有趣的是,虽然半导体工业显示出了成熟的迹象，但其增长速度还是高于其它成熟工业，这说明了它仍有很大的发展潜力。（图1.16）图1.17为DRAM性能提高的一个例子，说明了多少卷的大百科全书可以被存储在更大容积的DRAM芯片中。半导体工业的连续发展与进步使之在90年代中期时占据了世界主导地位，并超过汽车工业成为美国附加值最高的工业（图1.18）。半导体工业的构成电子工业可分为两个主要部分：半导体和系统（或产品）。半导体包括材料供应商、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应商。系统部分包括设计和生产众多基于半导体器件的、涉及到从消费类电子产品到太空飞船的产品。电子工业还涵盖了印刷电路板制造商。半导体产业由两个主要部分组成。一部分是制造半导体固态器件和电路的企业，生产过程称为晶圆制造（waferfabrication）。在这个行业中有三种类型的芯片供应商，一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一种是做设计和晶圆市场的公司，它们从晶圆代工厂购买芯片；还有一种是晶圆代工厂,它们可以为顾客生产多种类型的芯片。以产品为终端市场的生产商和为内部使用的生产商都生产芯片。以产品为终端市场的生产商制造并在市场上销售芯片，以产品为内部使用的生产商它们的终端产品为计算器、通讯产品等等，生产的芯片用于它们自己的终端产品，其中一些企业也向市场销售芯片。还有一些生产专业的芯片内部使用，在市场上购买其它的芯片。在80年代,在以产品为内部使用的生产商中进行的芯片制造的比例有上升的趋势。生产阶段固态器件的制造有四个不同的阶段。（图1.19）它们是材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造、封装。在第一个阶段，材料准备（见第二章）是半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。硅是以沙子为原料通过转化成为具有多晶硅结