1.1.2 集成電路

通過(guò)在單片半導(dǎo)體襯底上集成制造大量的晶體管、二極管、電阻器、電容器等元器件，可以實(shí)現(xiàn)完整功能的復(fù)雜電路，即集成電路。與分立元件的形成電路相比，集成電路能夠極大地降低成本、提升可靠性，因此，其獲得了顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

將幾個(gè)元器件集成為一個(gè)特定功能器件的方法最早可以追溯到1920年的一種真空管，但是其設(shè)計(jì)初衷并不是電路的集成化，而是由于當(dāng)時(shí)德國(guó)的無(wú)線接收器是按照真空管的數(shù)量來(lái)收取稅費(fèi)的，集成在一個(gè)真空管中可以實(shí)現(xiàn)“避稅”。最早的集成電路的概念是在1949年提出的，德國(guó)工程師雅各比（Werner Jacobi）申請(qǐng)了一項(xiàng)半導(dǎo)體放大器專利［5］，采用電路集成的理念設(shè)計(jì)了一種包含5個(gè)晶體管的三級(jí)放大器。雅各比在專利中提出該放大器可以用于制造小型、低價(jià)的助聽(tīng)器，但是這個(gè)設(shè)計(jì)并沒(méi)有很快得到應(yīng)用。

集成電路早期概念的另一位提出者是英國(guó)的雷達(dá)科學(xué)家杜莫（Geoffrey Dum mer）。自1952年起，杜莫公開提出宣傳集成電路的想法，并于1956年嘗試制造，但是沒(méi)有成功［6］。此后，達(dá)林頓（Sidney Darlington）和樽井康夫（Yasuro Tarui）又進(jìn)一步提出了類似的芯片設(shè)計(jì)，只是此時(shí)的集成電路還是非電氣隔離的［7］。

1958年7月，美國(guó)得克薩斯州達(dá)拉斯市德州儀器公司的基爾比（Jack Kilby）在單片Ge半導(dǎo)體襯底上制造了第一塊集成電路。該集成電路包括一個(gè)Ge晶體管、電阻等，并通過(guò)導(dǎo)線連接在一起。2000年，基爾比因發(fā)明集成電路而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)［8］。

集成電路大規(guī)模制造的實(shí)現(xiàn)還要?dú)w功于早期Si工藝技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor International, Inc.）的赫爾尼（Jean Hoerni）在1959年發(fā)明了表面鈍化工藝，通過(guò)熱氧化過(guò)程形成穩(wěn)定的Si表面，為后續(xù)集成電路平面制造工藝奠定了基礎(chǔ)［9］。為了讓每個(gè)晶體管互不影響地工作，貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿特拉發(fā)明了隔離技術(shù)［10］，有效地分離了二極管和晶體管，并在1959年由美國(guó)史普拉格電子公司（Sprague Electric Company）的列文虎克（Kurt Lehovec）將該技術(shù)應(yīng)用到單個(gè)晶圓上的晶體管隔離［11］。同年，仙童半導(dǎo)體公司的諾伊斯（Robert Noyce）申請(qǐng)了基于Si平面工藝的集成電路專利［12］。他在Si表面利用Al金屬互連不同的晶體管，同時(shí)利用氧化層將Si與金屬隔離，這種器件制備方法成為集成電路制造的主流技術(shù)。

1959年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿特拉和康發(fā)明的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有易于微縮、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，使高密度集成電路的制造成為可能［4］，幾乎所有現(xiàn)代芯片都是基于MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成電路。集成電路與分立電路相比，在成本和性能兩個(gè)方面具有重要優(yōu)勢(shì)。一方面，因?yàn)樾酒捌渌性骷伎梢酝ㄟ^(guò)圖形化在相同條件下批量制備，大大降低了單個(gè)元器件的成本，且具有極高的工藝穩(wěn)定性。另一方面，集成電路具備體積小、開關(guān)速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。但是，相對(duì)來(lái)講，集成電路的設(shè)計(jì)和制造對(duì)設(shè)備要求很高，因此研發(fā)和生產(chǎn)的成本很高，這也決定了只有在預(yù)期產(chǎn)量很高時(shí)，集成電路才具有商業(yè)化的可行性。