半導(dǎo)體工業(yè)工藝和產(chǎn)品發(fā)展趨勢

書接上回。上回我們講到了在1959年，杰克·基爾比在半導(dǎo)體材料鍺上面制作出了世界上第一個(gè)集成電路芯片，標(biāo)志著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正式拉開了集成電路的時(shí)代。

基爾比的芯片和今天流行的形式相比還有很大的差異。羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)當(dāng)時(shí)在仙童相機(jī)公司(Fairchild Camera)工作，為集成電路芯片的成型拼上了最后一塊拼圖。下圖是Kilby電路的示意圖。請注意，這些設(shè)備是用單獨(dú)的電線連接的，而不是我們今天看到的完全集成化的電路連接方式，這樣連接其實(shí)還是保留了分立器件搭接的電路的特征。

早些時(shí)候，同樣來自Fairchild Camera的Jean Horni開發(fā)了一種在芯片表面形成電結(jié)的工藝，以制造平面形狀的固態(tài)晶體管(如下圖所示)。扁平的外形是利用了容易形成的天然硅氧化物的結(jié)果，而硅氧化物恰好也是一種介電體(電絕緣體)。Horni的晶體管使用了一層蒸發(fā)的鋁，它被塑造成合適的形狀，作為設(shè)備的布線，這樣的話就能將之前跨接連接的導(dǎo)線直接優(yōu)化為電路板上的鋁線，這樣大大的增加了電路在各種復(fù)雜環(huán)境下電氣連接的可靠性和穩(wěn)定性。這種技術(shù)被稱為平面技術(shù)。Noyce將這種技術(shù)應(yīng)用于將先前在硅片表面形成的單個(gè)器件并將它們連接在了一起，進(jìn)而形成了一個(gè)全集成化的電路（具體結(jié)構(gòu)見下圖所示。

Noyce集成電路成為了后續(xù)形成的所有集成電路的典范。所使用的技術(shù)不僅滿足了那個(gè)時(shí)代的需求，而且包含了所有小型化和成本效益制造的潛力，這些技術(shù)至今仍在推動(dòng)著該行業(yè)的發(fā)展?；鶢柋群椭Z伊斯共享了集成電路的專利。

工藝和產(chǎn)品發(fā)展趨勢

自1947年以來，半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展新的和改進(jìn)的工藝。這些工藝的改進(jìn)反過來又導(dǎo)致了更高集成度和更可靠的電路，反過來又推動(dòng)了持續(xù)的電子革命。這些過程改進(jìn)分為兩大類:過程和結(jié)構(gòu)。工藝改進(jìn)是指那些能夠制造出更小尺寸、更高密度、數(shù)量和可靠性的器件和電路的改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)是新器件設(shè)計(jì)的發(fā)明，允許更好的電路性能，功率控制和可靠性。

器件元件尺寸和集成電路中的元件數(shù)量是集成電路發(fā)展的兩個(gè)常見指標(biāo)。部件尺寸以設(shè)計(jì)中最小的尺寸為特征。這被稱為特征尺寸，通常以微米或納米表示。一微米是一米的百萬分之一，或者大約是人類頭發(fā)直徑的百分之一。一納米是一米的十億分之一。更具體的半導(dǎo)體器件跟蹤器是柵極寬度。晶體管由三部分組成，其中一部分起允許電流通過的作用。在當(dāng)今的技術(shù)中，最流行的晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)(后續(xù)我們會進(jìn)行深入的講解)?？刂撇糠址Q為柵極。更小的柵極寬度通過生產(chǎn)更小更快的晶體管和更密集的電路來推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。目前，該行業(yè)正朝著1nm柵極寬度發(fā)展，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖在2020年左右實(shí)現(xiàn)了5nm柵極寬度，目前3nm尺寸也已經(jīng)投產(chǎn)。

至于半導(dǎo)體特征尺寸不斷減小的特征規(guī)律，這就不得不提到一個(gè)聞名遐邇的定律，具體是什么樣神奇的定律，我們下節(jié)繼續(xù)講解！

審核編輯：劉清