电子产业

产业更添辉煌——纪念集成电路发明50周年北京大学吉利久1成就产业50年前，美国TI公司（德州仪器TexasInstruments）的JackKilby演示了他发明的IC（集成电路——IntegratedCircuit）；差不多在同时，美国仙童公司（FairchildSemiconductor）的RobertNoyce宣布了他发明的IC，这是1958年底到1959年初的事。在十分重视知识产权的美国，发生了这种情况少不得要有一场官司。几经申诉、举证，到1969年法院裁决为同时发明，各有知识产权。对簿公堂并没有影响IC的发展，1965年，GordonMoore就总结出3年4番的增长规律，这说的是IC集成度，即芯片上的晶体管数目。到2000年，IC已经成就了年产值2000亿美元的巨型产业，Kilby因发明IC而获得2000年诺贝尔物理学奖。晶体管发明于1948年，三位发明人WilliamShockley、JohnBardeen和WalterBrattain因此获得1956年诺贝尔物理学奖，时隔8年。而IC的发明获奖是在40多年之后。漫长的考验，使得IC的另一位发明人Noyce没能等到这份殊荣，他于1990年6月3日去世。如果颁奖再晚几年，Kilby也可能享受不到了，他是2005年6月20日去世的。两项发明获奖的评审周期相差如此悬殊，其原因是它们有着不尽相同的辉煌方面。晶体管的发明，把研究、掌握电子在真空中运动的电子管时代，推进到研究、掌握电子在固体中运动的晶体管时代。尽管在1956年，晶体管在与电子管的优劣比拚中尚未获胜，半导体产业也还不及电子管产业强大，但就开创固体电子器件的划时代意义而言，已是“奖有所值”了。IC发明获奖凭借的是两方面成就：物理成就和产业成就。IC发明的物理成就在于解决半导体芯片上的器件隔离问题。在半导体上是可以制作晶体管、元器件的，但是半导体导电，如果不加隔离，元器件的端口都将处于同一电位，那就不可能具有电路意义。Kilby用p-n结“墙”解决了隔离问题。正如在专利申请中所写：发明的首要目的就是利用一块包含扩散p-n结的半导体材料，制备一种新颖的小型电子电路，所有电路元件全部集成在这块半导体材料当中。这是IC发明的物理意义。IC发明的另一成就是形成巨大的产业，以及以IC为基础的个人电脑、互联网络、数码视听等对世界产生的重大影响。可以说，形成2000亿的产业在诸多诺贝尔奖成果中也是绝无仅有。客观上讲，IC发明的物理意义是比不上晶体管的。然而，也正是因为有了IC才把晶体管的优点充分地、全方位地展现出来。两项发明可谓姊妹华章，晶体管的产业化过程为IC的发明作了准备，IC的技术进步又推动了晶体管的进展。回顾一下这辉煌的50-60年，可以对IC产业的理解更深入一些。2前期准备1948年，J．Bardeen和W．Brattain在Phys．Rev．上发表“TheTransistor，ASemiconductorTriode”，宣告晶体管问世；1949年，W．Shockley在BellSyst.Tech杂志上发表“TheTheoryofp-nJunctioninSemiconductorandp-nJunctionTransistor”，宣告比点接触型更加实用的结型晶体管问世；其后便踏上批量生产和扩大应用的路程。虽然晶体管具有电子管不可比拟的优点，但是竞争之路也并不平坦。当时电子管已十分成熟，又经过小型化，体积缩小之后，功耗降低，掉在地上也不易摔破，因此，晶体管的体积小、功耗低、耐冲击的优点并不绝对占优。相反，电子管的低噪声，耐高压的性质却远优于晶体管。再加上当时晶体管制作的工艺水平不高，不要说点接触型，即使是结型晶体管也还是合金结，只能“单件”制作，效率低下，售价比电子管还高。因此要在与电子管的竞争中取胜，晶体管还需另辟蹊径。晶体管果然选择了一个正确的发展方向，即充分发挥自己具有的、而电子管不可能具有的优点，那就是：不用灯丝，无需“容器”，因此，可以成批制作。晶体管选定的这个发展方向奠定了在竞争中的胜局。尽管当时电子管生产线的机械化水平已经很高，玻壳、灯丝、电极都是机械制作，甚至组装和抽真空等也都是机械操作，但它改变不了的就是只能“单件”生产。有一个说法有些道理，“再复杂的套色标签都可以整版印刷，而再简单的标签也只能‘单张’粘贴”。电子管的制程就是只能“单件”制作。晶体管的发展走的是“整版印刷”之路。在晶体管的发展过程中，硅材料的选择当属昀重要的一步。其实，在晶体管发明之前，科学家就知道硅比锗更适于作为晶体管的材料，只是因为硅的提纯困难，当时硅材料的纯度还不够高，因此先在锗材料上完成了晶体管的发明。不过当时各公司、实验室都有硅的研究计划。第一个硅晶体管是B．E．Deal在TI制成的。在1954年的一次会议上，比较权威的看法是制作硅晶体管还需要几年的时间。可是就在这个会上，Deal不仅宣布了硅晶体管的诞生，而且还装成收音机，与锗管机一起浸入热水中。因为硅有更大的带隙，所以高温下硅管机仍能收音，锗管则难耐高温而停止工作。1950年，R．N．Hall和W．C．Dunlap在Phys．Rev．上发表了“p-nJunctionPreparedbyImpurityDiffusion”，为晶体管的制作提出了重要的方法——扩散掺杂。很可惜，这篇文章说的只是在合金之后的杂质扩散，仍然是“单件”操作，不能解决“整版印刷”的问题。从1956年M．Tanenbaum和D．E．Thomas在BellSyst.Tech杂志上发表“DiffusedEmitterandBaseSiliconTransistor”，到1960年J．A．Hoerni在IREElectronDevicesMeet．上发表“PlanarSiliconTransistorandDiodes”，宣告完成硅平面工艺的发明。至此，制作晶体管的管芯已经可以用“整版印刷”的方式，所有工序都是在整个wafer（晶圆）上进行。这样的制程不仅生产效率高，而且管芯的一致性好，为晶体管赢得了市场，同时也为IC发明准备了条件。在硅平面工艺中，应该说二氧化硅（SiO2）帮了硅（Si）的大忙，确立了硅在IC材料中的绝对优势地位。Si上易于生长SiO2薄膜。这层SiO2薄膜很重要，不仅可以用作器件的电学绝缘、表面保护，还可以在晶体管的制作过程中，用来阻挡杂质向Si内扩散。再加上SiO2薄膜易于刻蚀图形，这样就可以在Si上实现选择区域的扩散掺杂：先在n型Si的一些区域做p型扩散，形成基区（Base），再在这些基区中做n型扩散，形成发射区（Emitter），于是同时完成了多个n-p-n晶体管的制作，如同是“整版印刷”一样，以SiO2作为“套色掩膜”。在晶体管的平面工艺制程中，一定要有一道工序把Si上的SiO2薄膜刻出所需要的图案，这就是从套色印刷技术中学来的光刻技术（Lithography&Etching）。光刻工艺包括“光”和“刻”两步工序。“光”，完成图形转移：把对晶体管收集区、基区、发射区等区域设计的一套图形，依次转移到Si片上；“刻”，完成刻蚀：在SiO2等薄膜上刻蚀成图案。当然，半导体光刻工艺的精度，已经远远高于套色印刷，从初期的微米级10μm、5μm、3μm、2μm、1.5μm、1.0μm，到后来的亚微米0.8μm、0.5μm，深亚微米0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm，再到昀近的超深亚微米，也称纳米级，90nm、65nm、45nm，和即将的32nm、22nm，光刻工艺的精度已经成为晶体管、IC制作精度的标志。硅平面工艺中外延（epitaxical）技术的发明很有创意，它解决了在重掺杂Si片上形成轻掺杂层的难题。一般认为，之所以称为半导体，是因为它的电导率低于导体，高于绝缘体，恰逢其半。这只是对于高纯度的材料而言，实际上掺入杂质的半导体才有更意义。半导体的导电类型和导电能力完全由掺入的杂质决定，以Si为例：掺入Ⅲ族元素（例如硼）成为p型硅，掺入Ⅴ族元素（例如磷、砷）成为n型硅；重掺杂（n＋、p＋）硅比轻掺杂（n－、p－）硅有更好的导电性能。晶体管的制作正是通过不同的掺杂改变Si的导电类型而形成p-n结的。但是这个过程一定是用更重的掺杂改变较轻掺杂的导电类型，不可逆反，也就是只能把n－变成p，再把p变成n＋。因此，晶体管的集电区（C区）就只能是n－。但是n－的电阻率要比n＋高1000倍，而晶体管的大部分电流又都要由C极通过，因此势必造成很大的电压降和热功耗，降低了晶体管的品质。如果能有一个n＋层与n－的C区并联，将是再好不过了，很可惜，通过掺杂的方法是不能把n＋变成n－的。外延工艺是沿着n＋Si的晶格再长出一层Si，其中少做掺杂，成为n＋Si上的n－外延层，既为制作晶体管提供了n－的C区，又有低阻的n＋衬底作为并联，两全其美。外延技术不仅是平面工艺的重要工序，还是化合物半导体材料制备的重要方法，这是题外的话。硅还有一个很好的性质，就是重掺杂硅，无论是n＋还是p＋，都能与铝形成欧姆接触。这个性质太重要了，欧姆接触相当于“焊锡”，是晶体管与外界电学连接、IC内部电学互连的必由之路。这么容易便可实现欧姆接触，又为硅成为制作IC的材料增加一大优点，真好像“硅有天助”。平面工艺是氧化、光刻、扩散掺杂，外延等一套硅基工艺的组合，它的一个昀重要的性质是可以把BJT（双极结型晶体管——BipolarJunctionTransistor）的E、B、C三个电极（以及后来MOSFET的D、G、S、B四个电极）都在同一平面上引出。这个性质是实现IC的根本保证，其中欧姆接触起了重要作用。如果不是这样，BJT的C极只能从硅片的背面引出，那么无论如何也不可能在同一硅片上实现晶体管之间的电学连接，IC也就无从谈起。因此，为晶体管实现批量制作而发明的平面工艺，也是为IC发明做的昀好的前期准备。3三大支柱3.1CMOS的结构及工艺硅平面工艺不仅可以在同一硅片上制作出许多BJT以及电路元件、互连等，还可以制作出器件之间的p-n结隔离，因此首先发明的是BJTIC。不过在这种IC中，“隔离墙”占用的面积过大，再加上BJT是电流控制型器件，功耗比较大，所以限制了集成规模的提高。如果能有一种可以实现自隔离的器件，如果再是电压控制型，那将是构成IC的理想器件。这种器件早在1930年J．Lilienfeld的美国专利和1935年O．Heil的英国专利中已经提出构想，即IGFET（绝缘栅场效应晶体管——InsulatorGateFieldEffectTransistor）的器件结构。很可惜，限于当时的工艺水平，这种器件未能实现。到1960年代初，利用Si平面工艺做出了MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应晶体管——Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor），这是以SiO2作为绝缘栅的IGFET。首先做出的MOSFET是负极性p沟道器件，制作正极性的n沟道器件遇到一些困难。A．S．Grove，B．E．Deal，E．H．Snow和C．T．Sah等几位物理学家对Si-SiO2界面做了透彻的研究，解决了界面态和Na＋离子的影响问题，把MOSFET，包括n-MOS、p-MOS的器件水平提高一大步。在这几位科学家中，Grove后来创建了Intel，成了杰出的管理学家，Deal做出过第一个Si晶体管，C．T．Sah在1963年与F．M．Wanlass一起提出了CMOS结构及技术，成为30年来制作IC的绝对主流工艺，占到90%以上。CMOS（互补MOS—ComplementaryMOS）是把n-MOS和p-MOS连接成互补结构，两种极性的MOSFET一关一开，几乎没有静态电流，很适于作为逻辑电路，因此CMOSIC首先用于实现布尔功能的数字电路。Moore定律说的是IC集成度三年四番，也就是芯片上的晶体管数目以累进年均增长率CAGR=1.58增长，（1.58）3≈4，即指数增长。指数增长不容易持久的原因是在后期增长的绝对值太大。一张0.1mm厚的纸，折一折变为0.2m