集成电路发展简史

1、集成电路发展简史学生：吴世雄 学号2010013080007摘要：随着我们的社会进入数字化时代，对数据的存储与处理变得越来越重 要，而这些都需要集成电路的参与。可以说集成电路已经深入我们生活的每一个 角落。本文尝试用简短的语言介绍集成电路的诞生、发展及现状。本文也简要介 绍了集成电路的生产工艺以及将要面对的困难。关键词：集成电路；历史；IC工业；微电子学；制造工艺；摩尔定律A Brief History Of ICAbstract： As our society into the digital age, data storage and processing is becoming incr

2、easingly important and these require the participation of the integrated circuit。Can be said that the IC has been to every corner of the depth of our liveso This paper attempts a brief language to introduce the birth, development and current situation of the IC。 This article also briefly describes t

3、he IC production process and the difficulties the IC production will have to faceKey Word: Integrated circuits; history; IC industry; microelectronics; manufacturing process; Moores Law 刖曰众所周知，二十世纪最伟大的成就莫过于计算机的诞生。计算机大大改变了 我们的生活方式，提高了社会的生产力。计算机的构造是怎样的呢？它的功能是 哪些呢？计算机的两大功能存储和处理数据一一都离不开集成电路。我们不 禁会想为什么集成

4、电路会在计算机中占有这么重要的作用呢？这一切都要从头 讲起。一、什么是集成电路？所谓集成电路，是之采用半导体（主要是硅）工艺，吧一个电路所需的晶体 管、二极管、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的连线在一块或几块很小的 半导体晶片或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后封装在一个管壳内， 成为具有特定电路功能的微型结构。集成电路因体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能 好以及成本低、便于大规模生产等优点，一经出现便得到迅速发展。现在人们的 工作、生活、学习和娱乐都要用到集成电路芯片。小到手机、大到航天飞机，它 们的核心部件都有集成电路。从全世界看，以集成电路为核心的电子信

5、息产业已经发展为第一大产业，超 过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统产业，成为拉动世界经济增长的强大引擎 和雄厚基石。据资料显示，1994年全世界集成电路的年销售额达到1097亿美元， 首次突破千亿大关。2000年销售额超过2000亿美元，目前已超过3000亿美元。二、集成电路的诞生集成电路的发展历史可以追溯到1947年美国贝尔实验室的巴丁等发明晶体 管。作为划时代的发明，他们因此获得了 1956年诺贝尔物理学奖。品体管的发 明揭开了半导体器件的神秘面纱，引发了第三次工业革命，使人类社会步入了电 子时代。个人认为晶体管和光纤是二十世纪对人类影响最大的两项发明。1952年5月，英国科学家G. W.

6、 A. Dummer达默 第一次提出了集成电路的 设想。1958年TI公司的科学家基尔比（Clair Kilby）与仙童公司的诺伊斯（Robert Noyce）先后独立地发明了集成电路（Integrated Circuit，IC）。基尔比等人获得了 2000年诺贝尔物理学奖以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献。（Clair Kibly 发明的半导体集成电路-相片由 Texas Instruments SemiconductorAsia提供）三、集成电路的发展及分类集成电路从诞生之日起就发展迅猛。Intel公司的创始人之一摩尔（Moore） 早在1965年就预测了集成电路迅猛发展的趋势，

7、他提出了著名的摩尔定律：即 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便翻一番，性能也将增加一倍。 这个定律延伸到现在，每个集成电路可包含惊人的100亿个组件，面积可达到 10平方厘米。根据集成规模大小的分类：SSI小规模集成电路（集成度近100个元器件）；MSI中规模集成电路（含有计数器和逻辑块，集成度为100-1000个 元器件）；LSI大规模集成电路（早期的4位微处理器，集成度为1K-100K个元 器件）；VLSI超大规模集成电路（64位微处理器，集成度为100K-10M个元 器件）；ULSI特大规模集成电路（集成度达到10M-1G个元器件以上）。按制造的半导体材料来分类可分为硅基材料

8、的集成电路和以三一五族化合 物(如神化镓)为主要材料的集成电路。按主要功能来分类可分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路。四、集成电路的制造怎样把一个电路变成集成电路大致流程为：指标要求f系统设计一逻辑设计f电路设计一版图设计f数字 化一转换成PG文件f制掩模版f芯片工艺制造f分割管芯f压焊封装f总测f 得到成品标准生产线的几大要素净化间。由于芯片制造是极其精密的技术，即使是很小的污染源也有可 能使产品制造失败。因此对于每种污染源都要进行特殊的控制以满足净化室的要 求。工作人员在进入净化室前必须经过一系列处理以提高清洁程度。超纯水。超纯水可充当与杂质产生化学反应的介质，达到溶除污染物

9、的 目的。微电子行业中，各种清洗所用的有机溶剂和酸等都不是最纯的，含有各种 杂质，而超纯水的纯度最高，因此最后一道清洗工序要用超纯水来完成。高纯气体。从制备多晶硅到最终的退火工艺，集成电路的制造过程需要 用到的气体大约有30多种。随着集成电路规模的扩大，气体中微量杂质造成的 影响更加明显，往往会使成品率显著下降。因此非常有必要使用高纯气体。超净高纯试剂。超净高纯试剂主要用于硅单晶片的清洗、光刻、腐蚀工 序中，其纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能、可靠性都有着重要的影响。人才。随着IC产业的蓬勃发展，IC人才需求及培养已成为业界人士共同 关注的话题。然而IC行业对专业人才的专业技能要求非常高

10、，通常要有扎实的 理论基础和多年的工作经验积累，才能独当一面。主要制造工艺I、硅片的制备。首先将硅从沙中提炼出来并纯化，然后经过单晶生长、单 晶硅锭、单晶去头、径向研磨及定位研磨，得到硅锭。接着将硅锭切割成用于制 造芯片的薄硅片。II、芯片的加工。裸露的薄硅片被送到芯片制造厂。制造厂根据电路版 图，将需要集成的电路永久性地刻蚀在硅片上，这一过程成为芯片加工，这个阶 段也是集成电路制造过程中的核心阶段。III、芯片的测试与拣选。芯片制造完成后，芯片被送到拣选区，在那里 进行单个芯片的探测和电学检测后选出合格与不合格的芯片。IV、装配与封装。首先利用带金刚石尖的锯刃将每个硅片上的芯片分开。 测试合

11、格的芯片经减薄后，粘在一个厚的塑料膜上，送到装配厂被压焊、抽真空 形成装配包。最终的封装形式随芯片类型及其应用场合而定。V、终测。为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行成品 测试，以满足客户的电学环境特性参数要求。筛选后，满足要求的成品被发送给 客户使用。五、未来的挑战任何新技术都会经历诞生、发展到成熟的过程。集成电路目前正在高速发展。 摩尔定律能否一直适用？特征尺寸是否会有极限？随着特征尺寸进入纳米范围， 进一步所需尺寸会遇到更大的困难和挑战。这些困难和挑战主要来自三个方面。第一方面是物理极限的挑战。数据需要由某种工艺制造的基本器件去存储和 处理。这些器件局域一定的物理尺寸，进行操

12、作需要一定的时间和能量。数据处 理的这种物理性质就提出来一些基本的物理限制。如量子隧穿效应限制了最小绝 缘层厚度和耗尽层宽度。统计物理学和热力学归路也对最小器件尺寸提出来限制。 不过随着对理论问题的深入研究和工艺的不断完善，人们正在突破一个个所谓的 “极限”。在20世纪70年代有人提出1微米是极限，80年代又认为0.1微米是 尺寸缩小的极限，90年代认为0.05微米是最终的极限，不过这些极限却被我们 一一突破。第二方面是工艺技术面临的挑战。摩尔定律能持续多久很大程度上取决于工 艺技术上能把特征尺寸缩小到什么程度。这对光刻技术和其他微电子加工技术提 出了挑战。要实现100nm以下的特征尺寸必须发

13、展新的光刻技术，离子束、甚 远红外线和X光都是今后光刻的候选技术。为了使纵向尺寸等比例缩小，必须发 展新的超浅结工艺，实现原子层控制的精度。由于芯片面积不断扩大，要求硅片 面积也不断增大。这些都将给工艺技术、加工方式和生产设备带来新的变化。第三方面是经济因素的制约。尽管缩小尺寸、提高集成度可以使单位功能电 路的成本下降，微电子产品按照单位功能电路成本逐年减少25%的规律发展。但 是研发成本大约每代产品增大1.5倍;增加工艺步骤使每代产品成本增大1.3倍； 设备更新费用大概是每年10%15%的速度增加。这些费用的增加使建立集成电 路生产线的投资越来越高。尽管摩尔定律不可能长久奏效，但是通过人们的努力，可以使摩尔定律持续 的时间尽可能延长。经过一段时间的发展，微电子工业进入成熟期，增长的速度 会有所放缓。但在一二十年，微电子工业仍将保持稳定的增长率。毋庸置疑以集 成电路为代表的微电子技术将继续发展，用创新的解决方案迎接各种挑战！参考