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第6章 点石成金的集成电路技术(2)

1960年,仙童半导体公司取得进一步的发展和成功。由于发明集成电路使他的名声大振,母公司费尔柴尔德摄影器材公司决定以300万美元购买其股权,“八叛逆”每人拥有了价值25万美元的股票。1964年,仙童半导体公司创始人之一摩尔博士,以3页纸的短小篇幅,发表了一个奇特的定律。摩尔天才地预言说道,集成电路上能被集成的晶体管数目,将会以每18个月翻一番的速度稳定增长,并在今后数十年内保持这种势头。摩尔所作的这个预言,因后来集成电路的发展而得以证明,并在较长时期保持了它的有效性,被人誉为“摩尔定律”,成为IT产业的“第一定律”。

20世纪60年代的仙童半导体公司进入了它的黄金时期。到1967年,公司营业额已接近2亿美元,在当时可以说是天文数字。据那一年进入该公司的虞有澄博士(现英特尔公司华裔副总裁)回忆说:“进入仙童公司,就等于跨进了硅谷半导体工业的大门。”然而,也就是在这一时期,仙童公司也开始孕育着危机。母公司总经理不断把利润转移到东海岸,去支持费尔柴尔德摄影器材公司的盈利水平。在目睹了母公司的不公平之后,“八叛逆”中的赫尔尼、罗伯茨和克莱尔首先负气出走,成立了阿内尔科公司。据说,赫尔尼后来创办的新公司达12家之多。随后,“八叛逆”另一成员格拉斯也带着几个人脱离“仙童”创办了西格奈蒂克斯半导体公司。

四、集成电路是怎样加工而成的

虽然基比尔发明的集成电路原理简单,然而集成电路的制造需要非常复杂的技术,它主要由半导体物理与器件专业负责研究。芯片设计者可以不去深入研究,但是作为从事系统设计的工程师,有必要了解芯片设计中的工艺基础知识,才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说,更多关注的是工艺制造的能力,而不是工艺的具体实施过程。

几十年来集成电路发展及其迅速,然而其基本的制作方法即平面工艺一直保持不变,集成电路制造工艺仍然分为氧化、掺杂、淀积、钝化和光刻五个部分,下面将对这些步骤分别作一简要介绍。

1.氧化工艺

在一个MOS集成电路电路中,主要元件是:PMOS晶体管,NMOS晶体管,电阻R,电容C,电感L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor的缩写。MOS管有三种主要材料:金属、二氧化硅及硅构成。在氧化工艺中,硅片盛放在耐高温的石英舟中,通过滑道送入氧化炉,在氧气氛下通过高温使硅片表面氧化,从而生长出二氧化硅薄膜。

2.掺杂工艺

要形成晶体管,我们必须在纯净的硅里掺入其他杂质,这一工序从硅片上已暴露的区域开始,首先倒入化学离子混合液,以掺入金属离子,从而改变掺杂区的导电方式,使得每个晶体管都可以进行通、断等操作。将此工艺一次又一次地重复,以制成该集成电路的许多层。不同层可通过开启的窗口连接起来。电子则以高速在不同的层面间上下流动。这些小窗口是通过重复进行“掩膜”、“刻蚀”步骤开启的。窗口开启后就可以填充它们了,窗口中填充的一般是最普通的金属——铝或铜。

掺杂可以改变半导体材料的电性能。在衬底材料上掺入五价磷可以获得N型半导体,而掺入三价硼则得到P型半导体。通过不同P型和N型半导体的组合即可得到PN结二极管、双极晶体管或MOS晶体管。掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。目前,有两种掺杂方式:扩散和离子注入。

(1)扩散:扩散炉与氧化炉基本相同,只是将要掺入的杂质如磷P或硼B的源放入炉管内。

扩散分为两步:

STEP1预淀积,将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片表面。

STEP2推进,在高温、高压下,使硅片表面的杂质扩散到硅片内部。

(2)离子注入:采用离子注入机将带电的B离子或P离子注入硅片中,离子注入的分布有以下两个特点:即离子注入的分布曲线形状,只与离子的初始能量E0有关。并且杂质浓度最大的地方不在硅表面X=0处,而是在X=Rp处。离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。而E0与NT都是可以控制的参数。因此,离子注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。

五、淀积工艺

淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料,如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。

金属化工艺如淀积铝也称为金属化工艺,它是在真空设备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜;

淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积(LPCVD)的方法在硅片上生长多晶硅薄膜。

适当控制压力、温度并引入反应的蒸气,经过足够长的时间,便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。

采用SiH4在700℃的高温下,使其分解:

淀积PGS与淀积多晶硅相似,只是用不同的化学反应过程,这里不再一一介绍了。

六、钝化工艺

在集成电路制作好以后,为了防制外部杂质,如潮气、腐蚀性气体、灰尘侵入硅片,通常在硅片表面加上一层保护膜,称为钝化。

目前,广泛采用的是氮化硅做保护膜,其加工过程是在450℃以下的低温中,利用高频放电,使和气体分解,从而形成氮化硅而落在硅片上。

七、光刻工艺

光刻只是在半导体上刻出晶体管器件的结构,以及晶体管之间连接的通路。光刻是最重要的一步,整个芯片工艺所能达到的最小尺寸也是由光刻工艺决定的。有一种说法是,现代文明是电子芯片驱动的。从航天事业到日常生活,电子芯片对于现代文明的影响无处不在,而这所有的芯片,又无一例外都是光刻工艺的产物。

人类社会对于“篆刻”和“做标记”并不陌生。作为文明的标志,远古的人们在洞穴中就曾刻出了生命的图腾。作为现代科学的象征,今天的人们则在半导体晶片上刻出电路的结构。远古的人们用的是木头、石头,今天人们更加聪明,可以用电和光刻在更加微小的尺度上。首先,把一幅有着非常复杂设计模型的原图缩小成极细微的光刻掩膜。然后就是把这个设计图完整地复制在硅晶体上面。

光刻过程包括:涂光刻胶——掩膜对准——曝光——显影——刻蚀——去胶。

以上是集成电路加工的前工序,经过以上加工步骤后,便得到硅圆片上所包含的数十到数百个集成电路芯片。

由于一块晶圆上不止一个集成电路芯片,因此还需要用激光把它切成小块。再经过检测之后。将芯片封入一个陶瓷或塑料的封套中并连上引脚,便成了我们所见到的集成电路。

八、神奇的预言家——戈登·摩尔和“摩尔定律”

在晶体管发明人、诺贝尔奖获得者肖克莱的八位“得意门生”和“天才叛徒”中,摩尔(Gordon E.Moore)并不是最显赫的一位,因为在这八人中集成电路的发明人诺伊斯、半导体平面技术的发明人霍厄尼,他们在技术创新上的成就与贡献显然比摩尔大。但是,摩尔以他对IT技术发展所作出的精确而长期有效的预测即“摩尔定律”(Moore’s law)证明了自己无与伦比的科学天才,并赢得了世人的尊敬。

摩尔1929年1月3日生于美国加利福尼亚州旧金山,其父是当地一个县的行政司法长官。念中学时,摩尔培养了对化学的兴趣,立志做一名化学家。后来他果然考上加利福尼亚大学并取得了化学学士学位(1950年),后来又到加州理工学院(CIT)深造,于1954年取得化学与物理的博士学位。学成以后,他先在霍普金斯大学从事应用物理实验室从事红外吸收和火焰分光的工作并取得一些成绩,但这些工作离工程应用较远。当时,正好肖克莱在硅谷的半导体实验室开张,急需人才,摩尔被肖克莱看中,成了“博士生产线”中的一员,后来的事就为人们所熟知了。以摩尔和诺伊斯为首的八个年轻人离开他们的恩师肖克莱创办了仙童公司,由诺伊斯任总经理,摩尔任技术部经理,后执掌研发部,在诺伊斯发明集成电路的过程中起到了十分重要的作用。作为一名物理化学家,有关集成电路的一些最初的概念和思想是由摩尔提出的,集成电路芯片制造工艺中的一些关键技术也是摩尔解决或帮助解决的。诺伊斯多次坦言,摩尔是他在发明集成电路中的主要合作者。

64KB RAM之后,集成电路的集成度未能每年翻一番,而是每两年翻一番,但仍然按几何级数规律增长。其实摩尔早已估计到了这一情况,在那篇文章中,摩尔明确指出,每年翻一番的规律将至少保持10年,就长期而言,增长率还不能肯定(见Electronics,1965年4月19日)。因此,后来摩尔修改了自己的定律,先把翻番的周期定为2年,以后又改为这两者的平均值:一年半。至今,摩尔定律已神奇地灵验了三十多年,使人们对摩尔的预见性惊叹不已。

显然摩尔本人是这个定律的最大受益者之一,因为他看准了就马上开始行动,于1968年7月与别人一起创立了Intel公司,担任执行副董事长,于1975年出任董事长和CEO,1979年4月出任董事会主席和CEO,一直到1987年,才专职董事会主席,而后则为董事会名誉主席。

摩尔定律是一个人们津津乐道的历史传奇,在摩尔作出这个预言的1965年,只能做到在单块芯片上面集成30个晶体管,而今天呢,在一个逻辑芯片上面,可以集成好几亿个晶体管,在一个存储芯片上面,还可以集成更多的晶体管。这就是摩尔定律的效果。2000年12月,在旧金山举行的国际电子设备会议上,Intel公司宣布开发出了大小仅为30nm、厚度仅为3个原子层的CMOS晶体管,再一次取得了重大技术突破。Intel公司的技术和制造部副总裁兼总经理Sunlin Chou博士指出,研究者大胆地向所谓芯片极限进行挑战,不断证明了摩尔定律的正确性。有专家指出,基于这一进展,摩尔定律的有效性可望延伸到2020年。然而,仅仅过了半年,即2001年6月9日,Intel公司又宣布他们已在实验室中研制出尺寸仅为20nm即0.02μm的晶体管,从而使微处理器芯片有望在2007年达到10亿个晶体管(奔腾Ⅳ只有4200万个晶体管,1.7GHz)。

除了对IT技术的发展作出如此精确和长期有效的预测以外,摩尔在Intel公司的经营方向和发展战略上的远见和果断决策,对Intel公司成为业界霸主起到了决定性作用。20世纪80年代,日本的半导体工业迅速崛起,尤其是它的存储器芯片猛烈地冲击了世界市场,其中也包括美国市场,Intel公司面临巨大挑战。在这种情况下,经过长达几个月的思想斗争和反复权衡,摩尔和葛鲁夫一起终于下定决心,于1985年宣布Intel公司退出存储器芯片业务,全面转向处理器生产。正是这一“以守为攻”的策略,使Intel公司从痛苦的蜕变中走向新生。

摩尔在仙童公司和英特尔公司历任要职,1989年眼看接班人葛鲁夫已经成熟,才从Intel主席的岗位上光荣退休,把责任交给了葛鲁夫,自己则有了更多的时间去从事他的业余爱好:去深海钓鲑鱼。他自认为自己只是“偶然当上了企业家”(An accidental entrepreneur)。而作为一名出色的科学家和企业家,摩尔曾经获得过许多荣誉和奖励,1976年当选为美国工程院院士,1978年同时获得AFIPS的Harry Goode奖和IEEE的McDowell奖;1979年IEEE又授予他Frederick Philips奖;1980年被IEEE命名为首批计算机先驱;1985年获得美国金属协会ASM的“促进研究奖章”(Metal for the Advancement of Research);1986年与诺伊斯一起获得IEEE的“计算机企业家奖”(Computer Entrepreneur Award);1988年获得美国工程院的“创始者奖”(Founders Award);1990年布什总统亲自授予他“全美技术奖”(National Medal of Technology)。他最近获得的一个荣誉是1997年被IEEE授予的“创始者奖章”(Founders Medal)。

2001年5月24日,摩尔正式退出Intel公司董事会,因为他亲自规定董事的退休年龄是72岁,他自己也要执行。这虽然标志着一个时代的结束,但人们不会忘记这位将年收入只有2500美元的小公司变成年收入380亿美元的大企业的领头人。

在震惊全世界的“911事件”以后,关于摩尔有两个引人注目的消息,一是2001年10月28日,摩尔宣布在十年内向母校加州理工学院捐资6亿美元作为科研基金,这使CIT现有的基金总额一下子翻了一番,同时这也创下了美国私人向一所学校捐款的最高记录;二是2001年12月,白宫宣布布什总统将建立一个20人左右的总统科技顾问委员会,并宣布了第一批聘用者名单,摩尔名列其中。看来,布什总统希望利用摩尔长期管理Intel公司的成功经验,帮助美国政府改进有关技术方面的决策,以重振美国经济。