方寸知识篇 - 集成电路制造技术（一）- 集成电路制造技术发展历程

上世纪四十年代，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，这是最早的半导体器件，随后出现了合金结晶体管，他们采用的半导体都是锗晶体。直到1954年，第一块硅晶体由美国德州仪器公司（TI）研发成功。几乎同时，贝尔研究室成功研制利用气体把杂质掺入半导体的技术。有重要意义的突破是，在硅片上热生长出了既有优良电绝缘性能又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。此后不久，在相片印刷业早已广泛应用的光刻技术，以及透镜制造业中应用的薄膜蒸发技术。

1958年美国德州仪器公司和仙童半导体公司各自研制出了双极性集成电路。1962年MOS场效应管和MOS集成电路也相继诞生。1960年外延技术出现，诞生了外延晶体管。70年代初，美国研制出第一台离子注入机，使得在硅片定域掺杂更准确、更均匀，可以在更薄的表面层内实现精确掺杂，由此集成电路也向更大规模方向发展。随后等离子干法蚀刻、化学气相沉积等新工艺、新技术也不断出现。

从集成电路诞生到上世纪80年代，是以工艺技术的发展为主导来促进微电子产品、特别是集成电路的高速发展时期。进入上世纪80年代中后期，集成电路设计从微电子生产制造业中独立出来，微电子工艺也进一步完善和规范，形成了集成电路标准制造工艺。全球第一家集成电路标准加工厂（foundry）是1987年成立的台积电，其创始人张忠谋也被誉为“晶体芯片加工之父”。

上世纪90年代后，集成电路制造向高度专业化发展，开始形成电路设计、芯片制造、电路测试和芯片封装4个相对独立的行业。基于实际应用需求而进行的集成电路设计称谓引领和推动微电子工业高速发展的源动力，它不断对工艺技术提出更高要求。这时芯片制造的横向加工精度开始进入亚微米范围，出现了电子束光刻，X射线光刻，深紫外光刻工艺技术；纵向加工精度也进一步提高，出现了可生长几个原子厚度外延层的分子束外延技术，薄层氧化工艺和浅结掺杂技术等。在集成电路金属互联工艺方面，从1985年起IBM公司就开始研发用铜代替铝作为超大规模集成电路多层金属互联系统的工艺技术，直到1998年才在诺发公司的协助下研制出了铜互连工艺，并将其应用在实际的集成电路制造中，1999年苹果公司也在400MHz微处理器中采用了铜互连工艺，围绕着铜互连产生了一系列芯片制造工艺的改进技术，如铜层电镀技术、化学机械抛光技术等。

现代微电子工艺是以硅平面工艺为基础而发展起来的。最能体现微电子工艺发展水平的单项工艺是光刻，一般用光刻工艺或光刻特征尺寸（光刻图形能够分辨的最小线条宽度）来表征微电子工艺水平。

计算机动态随机存储器（DRAM）芯片，从出现到现在，几十年时间里其使用功能基本相同，具有很高的集成度，也最能反映出集成电路工艺的发展历程。所以，通常用DRAM芯片的发展例程来表征集成电路工艺水平的进步。

新世纪以来，集成电路芯片主流产品的特征尺寸已在0.18μm一下，集成电路工艺开始向纳米阶段发展，直到2004年，集成电路的特征尺寸正式进入到纳米量级，90nm线宽的集成电路工艺被大规模应用在CPU、DSP等复杂集成电路芯片中。目前，浸润式光刻技术已经在22nm水平上应用，铜互连技术已应用于高端电路芯片的生产工艺中，并由最初的6-7层互连发展到现今的9-10层互连，已代替铝互连技术成为主流互连技术。

人类对电子产品的要求一直向着体积更小、速度更快、功耗更低、性能更高的方向发展。随着元器件特征尺寸的持续缩小，集成电路的集成度不断提高，传统的集成电路工艺进一步完善和拓展。另外，一些新机理、新结构的钠电子器件和电路被设计出来，与之相适应的新工艺——钠电子工艺已诞生。

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