读半导体简史06集成电路

1. 集成电路1.1. 杰克·基尔比1.1.1. 1923年11月8日杰克·基尔比(Jack Kilby)生于美国堪萨斯州1.1.2. 高考时因为数学成绩的3分之差与麻省理工学院失之交臂最后选择伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)就读1.1.2.1. 基尔比因为发明集成电路而声名赫赫时依然对此事耿耿于怀1.1.3. 二战结束后基尔比重返UIUC并于1947年获得学士学位之后进入Globe Union公司的中央实验室1.1.4. 在19471958年这段长达十多年的中央实验室的职业生涯中基尔比阅读了大量与“电路微型化”相关的论文并于1952年参加了贝尔实验室组织的研讨会1.1.5. 1957年在基尔比的努力下中央实验室推出用于助听设备的放大器1.1.6. 1958年5月基尔比加入德州仪器1.1.7. 德州仪器在半导体领域的技术储备以及这种对待创新的宽容为基尔比发明世界上第一个集成电路铺平了道路1.1.7.1. 基尔比成功地将之前使用“多片硅晶体”组成的电路缩减为“单片”​将晶体管、电阻与电容集成到同一个硅晶片之上搭建出移相振荡器(Phase-Shift Oscillator)电路1.1.7.1.1. 人类历史上第一个集成电路1.1.7.2. 集成电路中的电阻与电容在性能上无法与传统工艺相媲美1.1.7.3. 集成电路最终取代晶体管出现在电子产品中使得大型机、PC、智能手机等一切电子产品的出现成为可能1.1.8. 2000年77岁的基尔比因为发明集成电路获得诺贝尔物理学奖1.1.8.1. 颁奖时这位被产业界称为“温和的巨人”的基尔比想到的却是“如果诺伊斯依然在世应该与他共享这一奖项”​1.2. 德州仪器1.2.1. 1930年德州仪器成立于美国的得克萨斯州距离盛产石油的墨西哥湾很近起初以制作石油钻探设备作为主业1.2.2. 二战期间德州仪器开始制作军用电子设备1.2.3. 1952年德州仪器获得制作晶体管的授权之后招兵买马邀请到使用直拉法制作出单晶锗协助Sparks制作出结型晶体管的Gordon Teal加盟1.2.4. 1954年Teal和Adcock联手制作了基于硅的商用化结型晶体管1.2.4.1. 第一个制作出硅晶体管的依然是贝尔实验室但是为了保密这个实验室没有对外宣布这一消息1.2.4.2. Teal为了展示硅晶体管的优点特意将基于硅与锗的两种晶体管放入高温的油锅中1.2.4.3. 不耐高温的锗晶体管显然不能正常工作而基于硅的晶体管完全不受影响1.2.5. 待到基尔比加入德州仪器时这家公司已经具备大规模制作晶体管、二极管、电阻与电容等器件的能力1.2.5.1. 使用半导体材料制作晶体管与二极管的工艺已然成熟1.2.5.2. 也出现了基于半导体材料的电容与电阻的制作工艺这种阻容制作工艺虽然不如传统工艺成熟如使用氮化钛制作电阻聚四氟乙烯制作电容1.3. 台型晶体管是结型晶体管的一种基于贝尔实验室发明的扩散技术制作1.3.1. 晶体管使用台型工艺(Mesa Structure)制作也因此被称为“台型晶体管”​1.4. 1955年贝尔实验室将台型晶体管技术对外授权之后德州仪器与仙童分别在1957年与1958年将这种产品推向市场2. 八叛逆2.1. 罗伯特·诺伊斯与基尔比一道被誉为集成电路之父2.2. 1957年作为“八叛逆”之首的诺伊斯离开肖克利半导体实验室创建了仙童半导体2.2.1. 这是“八叛逆”的新生也是一段非常艰难的旅程2.3. 20世纪60年代在美国出现了两次“风险资本”高潮第一次发生在19611962年第二次发生于19681969年2.4. 1957年10月4日苏联将第一颗人造卫星送入太空近地轨道2.5. 光刻技术最早源自于印刷术2.5.1. 光刻技术原本是材料加工的辅助设备与墨斗在制作家具中的作用相当2.5.2. 这个原本用于打线测量的工具因为半导体产业对制作精度的无限需求逐步成为核心2.5.3. 半导体芯片的制作大可与规划城市相提小可与打造家具并论2.6. 1852年英国科学家Henry Talbot发现用重铬酸钾处理过的明胶在光照之后将硬化2.7. 法国科学家Alphonse Poitevin在此基础上发明“珂罗版”平版印刷也标志着照相制版技术的诞生2.8. 经过十余年的积累制作半导体的主要设备与材料已经基本准备就绪共同迎接半导体制作的一个最为关键的拼图—光刻2.9. 半导体光刻技术从诞生之日起至今其实现的关键之处与珂罗版一致即“将图案转移到明胶”的过程2.10. 半导体产业中使用的光罩等效于照相制版技术的胶卷底片而光刻胶的作用与明胶相当2.11. 光刻胶与光罩配合可以实现半导体光刻光线照射在光罩之后将穿过其透明部分并在光刻胶上成像2.12. 光刻胶被光线照射后将发生变化很容易被去除从而将光罩中的图案转移到光刻胶之上2.13. 聚乙烯醇肉桂酸酯不溶于多数强酸光敏特性优良分辨率高在早期半导体制作中获得广泛应用但其最大缺点是在硅晶片上的附着力不足2.14. KTFR(Kodak Thin Film Resist)2.15. 早在1955年贝尔实验室的Jules Andrews与Walter Bond基于光刻胶使用照相制版技术制作印制电路板(Printed Circuit BoardPCB)并将这种技术引入晶体管与集成电路的制作逐步发展成为半导体光刻技术2.16. 20世纪50年代末半导体主材料硅的提纯出现了直拉与区熔两种方法2.16.1. 基于强酸的刻蚀方法已逐步成型2.16.2. 用于材料掺杂的扩散技术开始大规模应用2.16.3. 半导体光刻技术也初现雏形2.17. 借助于台型晶体管1957年9月18日成立的仙童公司在1958年8月便取得了65000美元的销售收入2.18. 1959年5月仙童为晶体管的平面制作工艺(Planar Process)提交专利申请2.18.1. 这种设计思路为诺伊斯提出平面集成电路铺平了道路2.19. 1959年7月30日诺伊斯在平面工艺的基础上提出了一种不同于基尔比的集成电路制作思路并申请了一个重要专利“半导体与互连结构”2.19.1. 这一天命名为平面集成电路的发明之日2.19.2. 由诺伊斯主导的集成电路制作方法在平面工艺的帮助下取得完胜成为今天制作集成电路的标准方法2.19.3. 诺伊斯也因此与发明了第一个集成电路的基尔比一道被后人称为集成电路之父2.20. 一项伟大的发明通常在初期饱经磨难因为这些创新通常与绝大多数人的直觉相悖2.20.1. 电磁学与量子力学的发展历程如此肖克利的结型晶体管如此赫尔尼的平面晶体管也是如此2.21. 1961年1月赫尔尼事了拂衣去别人帮他深藏了身与名2.21.1. 同赫尔尼一同离去的还有“八叛逆”中的Jay Last和罗伯茨他们一道成立了Amelco公司后来赫尔尼又单独创建了Intersil公司2.22. 1968年Victor Grinich也离开仙童先后加入加州大学伯克利分校与斯坦福大学教书育人2.22.1. 同年诺伊斯与摩尔离开了仙童一道成立的公司叫作Intel2.23. 1969年​“八叛逆”的Julius Blank最后一个离开仙童他成立了一家名为Xicor的公司这个公司最后被Intersil收购2.24. 以制作晶体管为核心的半导体生产逐步切换为以集成电路为核心的晶圆制作2.25. 半导体产业在已有的通信产业之外派生出两大新的应用领域一个是计算另外一个是存储2.25.1. 在当时绝大多数的欧美半导体公司都是从存储产业起步包括年轻的Intel3. 平面制作工艺3.1. 集电区的制作3.1.1. 准备N型硅衬底之后外延生长一层N-型硅层这个N-型硅层即为集电区3.1.2. N与N-都是在本征半导体中掺杂N型材料获得区别在于N的掺杂浓度大于N-3.2. 基区光刻胶成型3.2.1. 光刻胶涂敷3.2.1.1. 在二氧化硅上涂敷一层光刻胶3.2.2. 曝光3.2.2.1. 在光刻胶上放置基区光罩之后与硅晶圆对准后使光线穿透光罩的透明区域即黑色区域抵达光刻胶进行曝光3.2.3. 显影3.2.3.1. 将被曝光的光刻胶溶解于有机溶剂并清洗3.2.3.2. 显影结束后光刻胶成型告一段落基区光罩图案完全转移到光刻胶3.2.4. 腐蚀与去胶3.2.4.1. 使用氢氟酸进行腐蚀操作显影后剩余的光刻胶将作为阻挡层保护其下的二氧化硅不被腐蚀3.2.4.2. 使用酸性溶剂进行的腐蚀操作也被称为湿法刻蚀3.2.4.3. 二氧化硅不溶于强酸却溶于氢氟酸3.2.4.4. 在所有的酸中氢氟酸最为神奇这种酸不是强酸但偏偏能够溶解几乎所有强酸都不能溶解的二氧化硅3.3. 基区制作3.3.1. 基区是在集电区之上通过P型掺杂实现的3.3.1.1. 进行扩散与预沉积操作将13族元素硼沉积在N-层之上3.3.1.2. 扩散后的再分布操作将硼元素向N-层深处扩散并形成基区P区3.4. 发射区制作3.4.1. 发射区与基区的制作过程几乎一致依然是围绕光刻进行之后进行掺杂操作3.4.2. 发射区的制作同样需要使用涂胶、曝光、显影几个环节进行光刻胶成型与制作基区的主要区别是使用发射区的光罩3.4.3. 显影后依然是氢氟酸刻蚀与去胶3.4.4. 最后使用15族元素磷进行扩散操作并得到发射区(N)3.5. 引脚制作3.5.1. 本制作环节的作用是在基区、发射区与集电区之上打孔并为制作引脚做准备制作引脚孔与制作发射区的制作过程几乎一致3.5.2. 通过涂胶、光刻、显影并使用引脚孔光罩进行光刻胶成型以获得引脚孔的图案与位置3.5.3. 进行显影、腐蚀与去胶3.5.4. 最后一步是使用靶材溅射的方法沉积铝金属将铝沉积在引脚孔和二氧化硅层3.5.5. 通过涂胶、光刻、显影并使用引脚光罩进行光刻胶成型3.5.5.1. 此时的光刻胶与之前使用的不同常使用反胶3.5.6. 腐蚀去胶后得到最后的引脚基极、发射极与集电极