集成电路技术及其发展趋势

集成电路技术及其发展趋势

摘要目前，以集成电路为核心的电子产业已超过以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。作为当今世界竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

关键词集成电路系统集成晶体管数字技术

第一章绪论

1947年12月16日，基于John Bardeen提出的表面态理论、Willianm Shockley给出的放大器基本设想以及Walter Brattain设计的实验，美国贝尔实验室第一次观测到具有放大作用的晶体管。1958年12月12日，美国德州仪器公司的Jack S.Kilby发明了全世界第一片集成电路。这两项发明为微电子技术奠定了重要的里程碑，使人类社会进入到一个以微电子技术为基础、以集成电路为根本的信息时代。50多年来，集成电路已经广泛地应用于军事、民用各行各业、各个领域的各种电子设备中，如计算机、手机、DVD、电视、汽车、医疗设备、办公电器、太空飞船、武器装备等。集成电路的发展水平已经成为衡量一个国家现代化水平和综合实力的重要标志[1]。

现代社会是高度电子化的社会。在日常生活中，小到电视机、计算机、手机等电子产品，大到航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输等行业的大型设备，几乎都离不开电路系统的应用。构成电路系统的基本元素为电阻、电容、晶体管等元器件。早期的电路系统是将分立的元器件按照电路要求，在印刷电路板上通过导线连接实现的。由于分立元件的尺寸限制，在一块印刷电路板上可容纳的元器件数量有限。因此，由分立元器件在印刷电路板上构成的电路系统的规模受到限制。同时，这种电路还存在体积大、可靠性低及功耗高等问题。

半导体集成电路是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路规则，互连“集成”在一块半导体单晶片上。封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。与印刷电路板上电路系统的集成不同，在半导体集成电路中，构成电路系统的所有元器件及其连线是制作在同一块半导体材料上的，材料、工艺、器件、电路、系统、算法等知识的有机“集成”，使得电路系统在规模、速度、可靠性和功耗等性能上具有不可比拟的优点，已经广泛的应用于日常生活中。半导体集成电路技术推动了电子产品的小型化、信息化和智能化进程。它彻底改变了人类的生活方式，成为支撑现代化发展的基石[2]。

1959年，英特尔(Intel)的始创人，Jean Hoerni 和Robert Noyce，在Fairchild Semiconductor 开发出一种崭新的平面科技，令人们能在硅威化表面铺上不同的物料来制作晶体管，以及在连接处铺上一层氧化物作保护。这项技术上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降，令集成电路商品化变得可行。由集成电路制成的电子仪器从此大行其道，到二十世纪60年代末期，接近九成的电子仪器

是以集成电路制成。时至今日，每一枚计算机芯片中都含有过百万颗晶体管。

自1961年起，世界电子业市场总市值由$29亿增长至今时今日的$957亿。更有报告指出电子业将会是廿一世纪最大的单项工业。电子业的增长有赖更新、更好的科技发展与突破，比如无线通讯、互联网和DNA解碼。在往后的日子，随着半导体科技的发展，更多崭新的电子产品将会陆续面世。可能在不久的将来，你已经可以利用手提电话与远方的亲友进行视像会议；你的妈妈可以在下班回家途中以电话遥控家中的微波炉去制作一顿丰富的晚餐；你的自动导航器为你驾车回家，而你则可利用这段时间为明天的会议稍作准备。在美国，已有公司提供网上电影院服务，你只要安坐家中，以互联网选择想观赏的电影，就可在家中的电视收看。这一切都似是科幻小说的情节，可是我们距离新科技的突破只有一步之遥，或许新的产品已经进入实验阶段，快要推出市面呢！

可是，仍有不少问题妨碍集成电路的发展。首先，信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度；其次，集成电路运作时所产生的热量亦不容忽视。当大量集成电路组装在一组件时，假若不能及时散热，便会出现电流失控；再者，现时集成电路所根据的原理，均是建基于经典物理学。可是当集成电路的体积日趋细小，终有一日会发展到由量子物理学所管辖的微观世界[3]。

随着集成电路技术的持续发展，不同类型的集成电路相互镶嵌，已形成了各种嵌入式系统(Embedded System) 和片上系统(System on Chip即SoC) 技术。也就是说，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS) 的过渡中，可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成信息的加工与处理功能。SoC作为系统级集成电路，它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，它将数字电路、存储器、MPu、MCu、DSP等集成在一块芯片上，从而实现一个完整的系统功能。SoC的制造主要涉及深亚微米技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式IP核设计技术、测试策略和可测性技术以及软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，从而实现集成电路设计能力的飞跃，并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命。

应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节，是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外，集成电路正在不断开拓新的应用领域。诸如微机电系统、微光机电系统、生物芯片(如DNA芯片)、超导等，这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点[4]。

第二章集成电路

所谓集成电路，是指采用半导体工艺，把一个电路中所需要的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的半导体晶片或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后封装在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构。

一、集成电路的发展史

（一）世界集成电路的发展历史

自从20世纪40年代，世界上第一个晶体管发明以来，人类历史就进入了一个以电子技术发展为标志的信息时代。晶体管的诞生，标志着人类历史开始进入半导体时代；集成电路的诞生，标志着人类历史进入微电子时代；微处理器的诞生，标志着人类历史开始进入数字技术时代；第五代微处理器与互联网的诞生，标志着人类历史开始进入电子智能化与信息化时代。今天，电子电子与信息时代的发展史以集成电路的发展作为基石，因此我们有必要回顾集成电路的发展历史。

1947年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑。

1950年，结型晶体管诞生。

1950年，奥耳和肖特莱发明了离子注入工艺。

1951年，场效应晶体管发明。

1956年，富勒发明了扩散工艺。

1958年，仙童公司罗伯特·诺伊斯与德仪公司基尔比，间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。

1960年，卢耳和克里斯坦森发明了外延生长工艺。

1962年，美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管。

1963年，仙童半导体公司的 F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺。

1965年，仙童半导体公司的戈登·摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍。

1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）。

1970年，斯皮勒和卡斯特兰尼发明光刻工艺。

1971年，Intel推出1KB动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现。

1971年，全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个