IC发展简史

IC发展简史1940s-起步阶段-原创性的发明使得集成电路技术成为可能1940-PN结（junction）虽然早在1833年法拉第就已经发现化合物半导体的特性，1873年W.Smith使用硒制造出工业整理器和早期的光电器件，1874年德国物理学教授FeidinandBraun观察到金属丝-硫化铅的整流特性并在其后用作检测二极管。但是直到20世纪40年代，贝尔实验室（BellLabs）的RusselOhl才开发了第一个对集成电路来讲具有严格意义上的PN结（junction）：当该PN结暴露在光源下的时候，PN结两端产生0.5V的电压。顺便提一句，那个时代Bell实验室在材料研究上具有很强大的力量，正是这个领导力量开创了半导体技术的纪元。1945-三极管（Transistor）发明•1945年，BellLabs建立了一个研究小组探索半导体替代真空管。该小组由WilliamShockley领导，成员包括JohnBardeen、WalterBrattain等人。1947年Bardeen和Brattain成功使用一个电接触型的“可变电阻”-即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路，稍候还演示了振荡器。1948年，Bardeen和Brattain提交了一份专利申请并在1950年被授予BellLabs-这就是美国专利US2,524,035,ThreeElectrodeCircuitElementUtilizingSemiconductiveMaterials.1950s集成电路雏形-集成电路出现•1951-发明结型三极管（JunctionTransistor）1951年，WilliamShockley推出了结型晶体管技术，这是一个实用的晶体管技术，从此难以加工的点接触型晶体管让位于结型晶体管，在20世纪50年代中期，点接触型晶体管基本被替代。1954年晶体管已经成为电话系统的必备元件，Bell实验室在生产晶体管的同时也向其他公司发放生产许可并从中提成（royalty），在这个时候，晶体管开始进入无线电和助听器领域。1956年，由于晶体管发明的重要性，Bardeen、Brattain和Shockley被授予诺贝尔奖（NobelPrize）。1952-单晶硅（Singlecrystalsilicon）制造技技术•1952-集成电路（IntegratedCircuit-IC）的概念提出1952年5月7日，英国的雷达科学家GeoffreyW.A.Dummer在华盛顿特区提出了集成电路的概念，即文章Solidblock[with]layersofinsulatingmaterials.1956年的尝试以失败结束，但是作为提出IC概念的先驱，Dummer是IC史册不可缺的一页。•1954-第一个商业化的晶体管1954年5月10日，德州仪器（TI）发布了第一款商用的晶体管-Grown-JunctionSiliconTransistors。晶体管通过在硅晶体表面切割一个矩形区域获得，硅晶体通过含杂质的熔化炉生长得到。硅晶体管和锗晶体管相比，具有廉价和高温特性好的优点。•1954-氧化、掩膜工艺（Oxidemasking）Bell实验室开发出氧化（oxidation）、光掩膜（photomasking）、刻蚀（etching）和扩散(diffusion）工艺，这些工艺在今天的IC制造中仍在使用。1954-第一个晶体管收音机问世工业开发工程师协会（IndustrialDevelopmentEngineerAssociates）设计并生产了世界第一个晶体管收音机-RegencyTR-1，它使用4个德州仪器（TexasInstruments）制造的锗（Germanium）晶体管。1955-第一个场效应晶体管问世又是Bell实验室的杰作。•1958-集成电路被发明1958年7月24日，德州仪器（TexasInstruments）的雇员JackKilby，在笔记本中写道：如果电路元件，比如电阻，电容可以使用同种材料制造，则有可能将整个电路加工在单个片子上“singlechip“。当时的真空条件很差的情况下，Kilby于当年的9月12日制造了具有5个集成元件的简单振荡电路，1959年Kilby提交了专利申请US3,138,743：Miniaturizedelectroniccircuits并获得授权。2000年Kilby和其他两位物理学家一起分享了诺贝尔物理奖。•1959-平面技术（Planartechnology）问世Kilby的发明存在严重的缺陷：电路的元件依赖于金丝连接，这种连线上的困难阻碍了该技术用于大规模电路的可能。直到1958年后期仙童（Fairchild）公司瑞士出生的物理学家JeanHoerni开发出一种在硅上制造PN结的结构，并在结上覆盖了一层薄的硅氧化层作绝缘层，在硅二极管上蚀刻小孔用于连接PN结。SpragueElectric捷克出生的物理学家KurtLehovec开发出使用PN结隔离元件的技术，这个问题才得以解决：1959年，也是仙童公司雇员的RobertNoyce产生了组合Hoerni'sandLehovec's工艺并通过在电路上方蒸镀薄金属层连接电路元件来制造集成电路的想法。平面工艺开始了复杂集成电路时代并沿用到今天。1960s-改进的产品和技术-MOS,CMOS和BiCMOS,Moore's定律•1960-外延沉积/注入（Epitaxialdeposition）技术Bell实验室开发出外延沉积/注入（EpitaxialDeposition）技术，即将材料的单晶层沉积/注入到晶体衬底（crystallinesubstrate）上。外延沉积/注入技术广泛用于双极型（bipolar）和亚微米（sub-micron）CMOS产品的加工工艺。1960-第一个MOSFET问世Bell实验室的Kahng制造了第一个MOSFET。1960-0.525英寸硅圆片（Wafer）出现•1961-第一颗商用的集成电路（IC）问世仙童（Fairchild）和德州仪器（TexasInstruments）共同推出了第一颗商用集成电路。1962-发明TTL逻辑（Transistor-TransistorLogic）1962-半导体工业销售额超过10亿美金（$1-billion）•1963-第一片MOS集成电路RCA制造出第一片PMOS集成电路1963-发明互补型金属氧化物半导体（CMOS）仙童公司的FrankWanlass提出并发表了互补型MOS（complementary-MOS-CMOS）集成电路的概念。Wanlass最初意识到由PMOS和NMOS晶体管构成的电路仅需要很小的工作电流，开始他试图给出一个单芯片的解决方案，但最终不得不以分立元件来验证这个想法。当时还没有增强型（Enhancement）的NMOS管，Wanlass不得不使用耗尽型（depletion）的器件，通过将器件偏置到关断状态来实现电路。CMOS的静态电流要比等效的双极型（Bipolar）和PMOS型的逻辑门低6个数量级，这个结果简直是疯狂的。1963年6月18日，Wanlass提出专利申请，1967年12月5日获得授权，专利号：US3,356,858，LowStand-ByPowerComplementaryFieldEffectCircuitry。今天CMOS是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。1964-第一个商用的接触打印机（contactprinter）#接触打印技术是20世纪70年代大量使用的在集成电路WAFER表明加工图形（patterns）的技术。•1964-1英寸硅圆片（wafer）出现1965-摩尔定律（Moore'slaw）1965年，GordonMoore，仙童半导体公司的研发主管，撰写了一篇题为Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits的文章。文中，Moore观察到Thecomplexityforminimumcomponentcosthasincreasedatarateofroughlyafactoroftwoperyear（这句话不译，实在是因为中文流传的表述太多了，无论写哪一种译法都难免让知道这个定律一种表述的人产生不严肃的想法-以为我译错了，反正这句英文也不难懂），这就是著名的摩尔定律：每年芯片的元件数量要翻一翻，后来这一表述又修正为每18个月芯片的元件数量翻一翻。值得一提的是，直到今天，摩尔定律仍符合半导体行业发展的现状-真是人有多大胆，地有多大产。•1965-100位的移位寄存器（100-bitshiftregister）在这年，具有600个晶体管的100位移位寄存器-GME，160个晶体管的21位静态寄存器-GI，150个晶体管的二进制-十进制（Binary-Digital）译码器-TI，诞生了。1966-16位的双极型存储器（memory）IBM在为NASA开发的360/95系统上使用了一种16位的双极型存储器。1966-第一块双极型的逻辑摩托罗拉（Motorola）推出了第一块具有3个输入的发射极耦合逻辑（Emitter-Coupled-Logic-ECL）的门集成电路。1966-发明单晶体管动态存储器（DRAM）单元IBM的RobertDennard博士参加了一个薄膜磁存储技术的座谈，薄膜磁存储技术组使用了一块小磁体和邻近的一对信号线实现1个比特（二进制位）的存储，几个月后Dennard博士提出一个二进制位可以存储在电容上，一个场效应管（FET）可以用于控制充放电。单晶体管的DRAM单元出现了，所有现代的DRAMs都是基于1个晶体管实现的。•1966-1.5英寸的硅圆片开始使用1967-浮栅（Floatinggate）技术出现Bell实验室的Kahng和Sze在Bell的技术杂志上阐述了在存储技术中使用浮栅其间的方法，今天浮栅技术是制造EEPROMs的通用技术。1967-NMOS技术Wegener、Lincoln、Pao、O'Connell和Oleksiak发布了NMOS晶体管及其在存储技术中的使用，浮栅技术开始用于EEPROMs的制造。•1968-64位双极型阵列（array）芯片IBM在其360/85系统中使用了64位双极型阵列作为高速缓存，该芯片具有64个存储单元和664个器件。1969-发明了BiCMOSLin、Ho、Iyer和Kwong在IEDM发表了ComplementaryMOS-BipolarTransistorStructure，揭示了BiCMOS的概念。1970s-驱动市场的新产品和技术•1970-首个NMOS集成电路IBM的Cogar等人完成首个金属栅的NMOS集成电路流片（fabricate）1970-首个商用的动态随机存储器（DRAM）：容量1Kbits（位）#大约1969年，霍尼韦尔的WilliamRegitz在寻求一个半导体厂商合作开发由他及其合作者一种新型的动态存储器（DRAM）单元（Cell）。Intel对这项技术表现出兴趣，并为之启动了一个开发计划，最初的产品被称为i1102。虽然开发出了可以工作的元件，但是1102的确存在问题。基于TedHoff已经做的工作，当时主要是寻求3个晶体管（Transistor）的DRAM单元结构，也许是TedRowe提出了埋层接触孔（buriedcontact）的想法，LeslieVadasz和JoelKarp后来又提出了其他办法的原理图，整个设计由BobAbbott来完成，最终的产品是i1103并在1970年的10月份正式推向市场。该产品存在成品率问题，产品经理JohnReed不得不做了很多改进的版本直到成品率问题解决并具有良好的性能。i1103使用6层MASK，采用8μm硅栅PMOS工艺，具有2,400μm2的存储单元面积，Die的尺寸差不多是10mm2，售价$21.1970-IBM使用半导体存储器替代磁存储器IBM在其370的145型号上全部采用半导体存储器。•1970-2.25