集成电路的历史-北京大学 吉利久
产业更添辉煌——纪念集成电路发明50周年
产业更添辉煌——纪念集成电路发明50周年
吉利久
【期刊名称】《中国集成电路》
【年(卷),期】2008(17)5
【摘要】@@ 1 成就产业rn50年前,美国TI公司(德州仪器Texas lnstnl-ments)的Jack Kilby演示了他发明的IC(集成电路-Integrated Circuit);差不多在同时,美国仙童公司(Fairchild Semiconductolr)的Robert Noyce宣布了他发明的IC,这是1958年底到1959年初的事.
【总页数】8页(P11-18)
【作者】吉利久
【作者单位】北京大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN402
【相关文献】
1.辉煌的五十年——纪念集成电路发明50周年 [J], 于宗光
2.设计未来再创集成电路产业辉煌——2007深圳市集成电路工作会议暨半导体行业协会年会胜利召开 [J], 黄友庚
3.“科学发展，区域合作，自主创新”纪念改革开放三十周年，纪念集成电路发明五十周年“2008集成电路产业链国际合作（上海）论坛” [J],
4.关于集成电路的发明与发明权争论的历史考察──纪念集成电路发明40周年 [J], 阎康年
5.集成电路发明60年,同频共振新时代——新时期中国集成电路产业发展战略论坛暨《集成电路产业全书》首发式胜利召开 [J], 邓亚威
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集成电路制造工艺
Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle.
12 英 寸 氧 化 扩 散 炉 装 片 工 序
12英寸氧 化扩散炉 取片工序 （已生长 Si3N4）
Process Specialties has developed the world's first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997.
非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。
数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
按应用领域分类
标准通用集成电路
通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大
的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会 需求量大，通用性强。 专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的 集成电路简称ASIC（Application Specific Integrated Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封 装形式多样。
• 现已进入到：
– VLSI – ULSI – GSI
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中 把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。
集成电路发展历史和未来趋势
集成电路发展历史和未来趋势集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是一种在单个芯片上集成了多个电子元件（例如晶体管、电阻、电容等）的电路。
集成电路的发展历史可以追溯到20世纪50年代末至60年代初，随着技术的进步和需求的增长，集成电路在电子领域中得到了广泛应用。
本文将介绍集成电路发展的历史，并展望未来的趋势。
集成电路的发展历史：1. 创世纪（1958-1962）：美国史景迁（Jack Kilby）和法国的尤·赖希特（Jean Hoerni）几乎同时独立发明了集成电路。
他们分别在半导体材料上制备出来离散元件，并将它们集成到单个芯片上。
这一时期的集成电路规模较小，仅有几个晶体管和少量的电子元件。
2. 第一代（1962-1969）：美国的弗吉尼亚公司（Fairchild）和德国的西门子公司率先推出了第一代集成电路，包括了数百个晶体管和其他元件。
这使得集成电路在通信、航空航天和计算机领域得到了广泛应用。
3. 第二代（1970-1979）：集成电路的规模和性能进一步提高，由数千个晶体管和其他元件组成。
大型集成电路纳入了多个功能模块，使电子设备更加紧凑和高效。
4. 第三代（1980-1989）：CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术的引入，使得集成电路在功耗和成本上有了显著改善。
CMOS技术还带来了更高的集成度和更快的开关速度，使集成电路能够应用于更广泛的领域。
5. 第四代（1990-1999）：集成电路的规模进一步增加，上千万个晶体管集成在一个芯片上。
这一时期也见证了数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑器件（PLD）和ASIC等特定用途集成电路的快速发展。
6. 第五代（2000至今）：随着纳米技术的推进，集成电路规模进一步增加。
先进的制造工艺使得晶体管的结构更小，电路速度更快，功耗更低。
同时，集成电路的应用领域也更加多样化，包括通信、计算机、医疗、汽车等。
浅谈集成电路的发展
浅谈集成电路的发展集成电路是现代电子技术的核心，它的发展不仅推动了整个电子产业的进步，也对人类社会生活产生了深远影响。
本文将从集成电路的起源、发展历程、技术趋势等方面对集成电路的发展进行浅谈。
集成电路（Integrated Circuit，IC）是将数百万甚至上亿个晶体管、电阻、电容和其他电子元件集成在一个芯片上，从而实现电子电路的高度集成。
集成电路的发明是20世纪最重要的发明之一，它改变了传统电子元器件的生产方式和设计模式，使电子产品在性能、尺寸和功耗上都得到了质的飞跃。
集成电路的起源可追溯到20世纪40年代和50年代，当时的电子电路仍然是通过分立元件（如晶体管、电阻、电容）手工焊接而成，体积庞大、成本昂贵且可靠性较差。
1958年，杰克·基尔比首次提出了集成电路的概念，随后由德州仪器公司的杰克·基尔比和洛克希德·马丁公司的罗伯特·诺伊斯联合研发出了第一片集成电路。
从此，集成电路逐渐走向商业化和大规模生产，成为电子工业的重要组成部分。
集成电路的发展经历了多个阶段。
从最初的小规模集成（SSI）、中规模集成（MSI）到大规模集成（LSI）、超大规模集成（VLSI）再到极大规模集成（ULSI），每一次技术革新都标志着集成电路的新发展阶段。
随着半导体工艺的不断进步，集成电路的封装密度、性能和功耗等指标不断得到提升，为信息技术的快速发展提供了坚实的基础。
在技术方面，集成电路的发展主要经历了两个方向的变革。
第一个方向是工艺技术的改进。
在集成电路的早期发展阶段，主要采用的是NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor）工艺，后来出现了CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）工艺，CMOS工艺具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此逐渐成为主流工艺。
而随着芯片尺寸的不断缩小，人们又发展出了更先进的FinFET、量子效应器件等工艺，进一步提升了集成电路的性能和功耗。
集成电路的发展历程和未来趋势
集成电路的发展历程和未来趋势集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是将多个电子元件（如晶体管、电容、电阻等）集成到一块半导体芯片上的技术。
集成电路的发展历程源远流长，经历了多个重要的里程碑，同时也展现出令人期待的未来趋势。
集成电路的发展可以追溯到20世纪50、60年代，当时电子器件已经普及运用，但由于电子元件体积大、成本高、制造工艺复杂等因素的限制，使得电子设备成本昂贵且体积庞大。
此时，人们开始希望能够将多个电子元件集成到一块芯片上，以提高器件的性能和成本效益。
1959年，杰克·基尔比（Jack Kilby）在德州仪器公司（Texas Instruments）发明了第一颗集成电路，它是由几个晶体管和其他电子元件组成的。
而同年，罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在Fairchild Semiconductor公司也独立发明了集成电路，并且将其制造工艺不断改进，进一步推动了集成电路的发展。
自那以后，集成电路技术取得了长足的进步。
1965年，戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律，预言了集成电路中晶体管的数量每隔18~24个月会翻一番，而成本则会减少一半，这也推动了集成电路技术的迅速发展。
随着工艺水平的不断提高，集成电路在功能、速度、功耗和体积上都取得了显著进步。
1968年，Intel公司推出了第一款8位微处理器，极大地推动了计算机的发展。
20世纪70年代初，随着NMOS工艺的发展，集成电路进入了第二代制程时代。
但由于功耗和成本问题，对功耗要求很高的应用领域，如移动通信等并未普及集成电路。
1980年代，CMOS工艺的出现改变了这一局面，由于CMOS工艺可以在大规模集成电路上实现低功耗设计，CMOS技术成为主导。
这一改变为后来的计算机和通信领域的快速发展打下了基础。
到了21世纪，集成电路的发展呈现出越来越多的应用领域。
首先是个人电子设备的普及，如智能手机、平板电脑等，这些设备都离不开高性能的处理器和存储器。
集成电路发展简史
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 increasingly 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 lives。
This paper attempts a brief language to introduce the birth, development and current situation of the IC。
This article also briefly describes the IC production process and the difficulties the IC production will have to face。
Key Word：Integrated circuits; history; IC industry; microelectronics; manufacturing process; Moore's Law前言众所周知，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。
集成电路发展简史
集成电路发展简史一、集成电路的起源集成电路，这个名字大家听了多次，却又常常没怎么想过它背后到底有多么精彩的故事。
说白了，集成电路就像是电子世界里的“魔法师”，把一堆零零散散的电子元件集中在一个小小的芯片里，从而让这些原本看起来庞大复杂的机器变得小巧而高效。
如果没有集成电路，我们今天可能还在用巨大笨重的电视、手机，甚至连计算机都可能要占满一个房间。
那集成电路是怎么来的呢？其实它有个相当不平凡的“成长历程”。
最早在1950年代，电子设备都是由各式各样的电阻、电容、晶体管拼凑起来的，简直就像是零件堆积的“电子拼图”。
但问题来了，拆开一个老式电子设备，你会看到成堆的电路板，简直一看头就大，维修麻烦，性能还不稳定。
大家都觉得，“这东西得有个新突破了”。
而就在1960年代初期，集成电路的雏形开始出现在科学家的眼前。
那时候，有一位美国科学家叫做杰克·基尔比，他一眼看出了这个问题，于是开始尝试将各种电子元件整合在一个小小的硅片上。
你看啊，能把这么多东西都集成在一起的技术，简直就是当时科技界的一颗定时炸弹，轰轰烈烈地改变着所有人的思维。
1961年，基尔比成功制造出了世界上第一个集成电路，并因此获得了诺贝尔奖！想象一下，他是不是一下子就成了电子界的“扛把子”？基尔比并不是孤军奋战，他的对手、另一位科学家罗伯特·诺伊斯也做出了巨大的贡献。
这两位大佬共同奠定了集成电路的基础，电子产业也因此迎来了一个全新的时代。
二、集成电路的飞速发展说起来，这个集成电路发展得还真是又快又猛，简直像坐上了火箭。
刚开始的时候，集成电路的规模还很小，技术还不够成熟。
但是随着时间的推移，集成电路技术不断进步，越来越多的科学家开始研究如何让这些小小的电路“更强大”。
70年代，集成电路技术开始爆发式增长，尤其是微处理器的出现，彻底改变了我们对计算机的认知。
记得那个时候，电脑还不像今天这样小巧，甚至有点像一台超级笨重的电视机，而集成电路的出现，让这些庞然大物变得不再那么占地方了。
集成电路的发展历史
集成电路的发展历史
自上世纪40年代初至今，集成电路（Integrated Circuit，简称IC）经历了长足的发展。
本文将回顾集成电路的发展历程。
早期发展
20世纪40年代末期，由于二战后科技的迅速发展，人们开始
追求更小、更高效的电子元件。
1958年，Jack Kilby和Robert Noyce分别在独立的研究中发明了集成电路，为集成电路的发展奠
定了基础。
第一代集成电路
在第一代集成电路中，仅包含几个晶体管和少量的电子元件，
性能较低。
然而，第一代集成电路的问世为后续的发展奠定了基础。
第二代集成电路
第二代集成电路的问世代表了集成度的显著提高。
制造工艺的改进使得更多的电子元件可以被集成到单个芯片上，性能提高。
第三代集成电路
随着科技的不断进步，第三代集成电路的问世实现了更加复杂的功能和更高的可靠性。
此时，集成电路已经广泛应用于计算机、通信和消费电子等领域。
当今发展
目前，集成电路仍在不断发展。
随着尺寸的不断缩小和性能的不断提高，集成电路的应用范围更加广泛。
例如，物联网、人工智能和自动驾驶等领域的发展，都离不开集成电路的支持。
结论
集成电路的发展历程充满了创新和技术突破，从早期的简单芯片到如今的高级集成电路，它不仅改变了我们的生活方式，也推动
了科技的进步。
相信在未来，集成电路仍将继续发展，为我们带来更多的惊喜与便利。
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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 Texas Instruments）的Jack Kilby 演示了他发明的IC （集成电路— — Integrated Circuit ）；差不多在同时，美国仙童公司（ Fairchild Semiconductor）的Robert Noyce 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，Gordon Moore 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William Shockley、John Bardeen 和Walter Brattain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“The Transistor， A Semiconductor Triode”，宣告晶体管问世；1949 年，W．Shockley 在Bell Syst. Tech 杂志上发表“The Theory of p-n Junction in Semiconductor and p-n Junction Transistor”，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，硅材料的选择当属最重要的一步。
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-n Junction Prepared by Impurity Diffusion”，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Bell Syst. Tech 杂志上发表“Diffused Emitter and Base Silicon Transistor”，到1960 年J．A．Hoerni 在IRE Electron Devices Meet．上发表“Planar Silicon Transistor and Diodes”，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，再到最近的超深亚微米，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，它的一个最重要的性质是可以把BJT（双极结型晶体管——Bipolar Junction Transistor）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 发明做的最好的前期准备。
3 三大支柱3.1 CMOS 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BJT IC。
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。