半导体工业工艺和产品发展趋势

书接上回。上回我们讲到了在1959年，杰克·基尔比在半导体材料锗上面制作出了世界上第一个集成电路芯片，标志着半导体产业正式拉开了集成电路的时代。

基尔比的芯片和今天流行的形式相比还有很大的差异。罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)当时在仙童相机公司(Fairchild Camera)工作，为集成电路芯片的成型拼上了最后一块拼图。下图是Kilby电路的示意图。请注意，这些设备是用单独的电线连接的，而不是我们今天看到的完全集成化的电路连接方式，这样连接其实还是保留了分立器件搭接的电路的特征。

早些时候，同样来自Fairchild Camera的Jean Horni开发了一种在芯片表面形成电结的工艺，以制造平面形状的固态晶体管(如下图所示)。扁平的外形是利用了容易形成的天然硅氧化物的结果，而硅氧化物恰好也是一种介电体(电绝缘体)。Horni的晶体管使用了一层蒸发的铝，它被塑造成合适的形状，作为设备的布线，这样的话就能将之前跨接连接的导线直接优化为电路板上的铝线，这样大大的增加了电路在各种复杂环境下电气连接的可靠性和稳定性。这种技术被称为平面技术。Noyce将这种技术应用于将先前在硅片表面形成的单个器件并将它们连接在了一起，进而形成了一个全集成化的电路（具体结构见下图所示。

Noyce集成电路成为了后续形成的所有集成电路的典范。所使用的技术不仅满足了那个时代的需求，而且包含了所有小型化和成本效益制造的潜力，这些技术至今仍在推动着该行业的发展。基尔比和诺伊斯共享了集成电路的专利。

工艺和产品发展趋势

自1947年以来，半导体行业不断发展新的和改进的工艺。这些工艺的改进反过来又导致了更高集成度和更可靠的电路，反过来又推动了持续的电子革命。这些过程改进分为两大类:过程和结构。工艺改进是指那些能够制造出更小尺寸、更高密度、数量和可靠性的器件和电路的改进。结构改进是新器件设计的发明，允许更好的电路性能，功率控制和可靠性。

器件元件尺寸和集成电路中的元件数量是集成电路发展的两个常见指标。部件尺寸以设计中最小的尺寸为特征。这被称为特征尺寸，通常以微米或纳米表示。一微米是一米的百万分之一，或者大约是人类头发直径的百分之一。一纳米是一米的十亿分之一。更具体的半导体器件跟踪器是栅极宽度。晶体管由三部分组成，其中一部分起允许电流通过的作用。在当今的技术中，最流行的晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构(后续我们会进行深入的讲解)。控制部分称为栅极。更小的栅极宽度通过生产更小更快的晶体管和更密集的电路来推动整个行业的发展。目前，该行业正朝着1nm栅极宽度发展，国际半导体技术路线图在2020年左右实现了5nm栅极宽度，目前3nm尺寸也已经投产。

至于半导体特征尺寸不断减小的特征规律，这就不得不提到一个闻名遐迩的定律，具体是什么样神奇的定律，我们下节继续讲解！

审核编辑：刘清