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1947～1958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1961～1962年，第二次发生于1968～1969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 Board，PCB)，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Intel

2.23. 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Intel

3. 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