微電子行業(yè)概述

1信息時代的基石-微電子行業(yè)概述楊鵬宇2一、高山仰止

-先賢的足跡W.Shockley，JackKilby，RobertNoyce，GordonMoore，A.Grove，C.Sporck，J.Sanders……………3

沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教。布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位后，進入貝爾研究所從事真空管研究工作。

溫文儒雅的美國人約翰·巴丁是一個大學教授的兒子，1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生，相繼于1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位。后來又轉入普林斯頓大學攻讀固體物理，1936年獲得博士學位。1945年來到貝爾實驗室工作。

美國人威廉·肖克利，1910年2月13日生于倫敦，曾在美國麻省理工學院學習量子物理，1936年得到該校博士學位后，進入久負盛名的貝爾實驗室工作。4

開始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，采用的是肖克利提出的場效應概念。場效應設想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案。根據這一方案，他們仿照真空三極管的原理，試圖用外電場控制半導體內的電子運動。但是事與愿違，實驗屢屢失敗。人們得到的效應比預期的要小得多。經過多少個不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一種新的理論——表面態(tài)理論。這一理論認為表面現(xiàn)象可以引起信號放大效應。表面態(tài)概念的引入，使人們對半導體的結構和性質的認識前進了一大步。但是也沒有得到非常理想的確結果.

1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。51947年12月23日，人們終于得到了盼望已久的“寶貝”。這一天，巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上，當兩根觸絲十分靠近時，放大作用發(fā)生了。世界第一只固體放大器——晶體管也隨之誕生了。在這值得慶祝的時刻，布拉頓按捺住內心的激動，仍然一絲不茍地在實驗筆記中寫道：“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……親眼目睹并親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文?！痹诓祭D的筆記上，皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同。

巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管。這種晶體管對電流、電壓都有放大作用。

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晶體管發(fā)明半年以后，在1948年6月30日，貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管。這個偉大的發(fā)明使許多專家不勝驚訝。然而，對于它的實用價值，人們大都表示懷疑。當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞。在公眾的心目中，晶體管不過是實驗室的珍品而已。估計只能做助聽器之類的小東西，不可能派上什么大用場。

71947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管

W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎8

的確，當時的點接觸晶體管利用觸須接點，很不穩(wěn)定，噪聲大，頻率低，放大功率小，性能還趕不上電子管，制作又很困難。難怪人們對它無動于衷。然而，物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒有被人們所認識。于是，在點接觸式晶體管發(fā)明以后，他們仍然不遺余力，繼續(xù)研究。又經過一個多月的反復思索,一個念頭卻在心中越來越明晰了，那就是以往的研究之所以失敗，根本原因在于人們不顧一切地盲目模仿真空三極管。這實際上走入了研究的誤區(qū)。晶體管同電子管產生于完全不同的物理現(xiàn)象，這就暗示晶體管效應有其獨特之處。明白了這一點，肖克利當即決定暫時放棄原來追求的場效應晶體管，集中精力實現(xiàn)一種新型晶體管.91948年11月，肖克利構思出一種新型晶體管，其結構像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導體夾在兩層P型半導體之間。這是一個多么富有想象力的設計??！可惜的是，由于當時技術條件的限制，研究和實驗都十分困難。直到1950年，人們才成功地制造出第一個PN結型晶體管。

10晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓11

這是一種用以代替真空管的電子信號放大元件，是電子工業(yè)的強大引擎，是計算機革命的關鍵，被媒體和科學界稱為“20世紀最重要的發(fā)明”。也因此有人說：“沒有貝爾實驗室，就沒有硅谷?！?2晶體管之父肖克利1954年，成就了“本世紀最偉大發(fā)明”的晶體管之父肖克利，離開貝爾實驗室返回故鄉(xiāng)尋求發(fā)展，他的故鄉(xiāng)恰好就在現(xiàn)在的硅谷。13

在硅谷嘹望山，肖克利宣布成立半導體實驗室。

不久，因仰慕"晶體管之父"的大名，求職信像雪片般飛到肖克利的辦公桌上。1956年，以羅伯特·諾依斯（N.Noyce）為首的8位年輕的科學家從美國東部陸續(xù)加盟肖克利的實驗室。他們的年齡都在30歲以下，學有所成，有獲得雙博士學位者，有來自大公司的工程師，有著名大學的研究員和教授，都處在創(chuàng)造能力的巔峰。集成電路的發(fā)明141927年12月12日，諾伊斯（N.Noyce）生于衣阿華州東南的登馬克（Durlington）小鎮(zhèn)。諾依斯15

大學就讀于當?shù)氐母窳旨{爾學院，多才多藝的諾伊斯，他同時學習物理、數(shù)學兩個專業(yè)。他擅長游泳，曾獲衣阿華州跳水冠軍。業(yè)余時間還演奏雙簧管，并在當?shù)仉娕_表演廣播連續(xù)劇。

一次寢室晚會，大家要開一個有南太平洋風味的宴會。其中缺一只烤全豬。由于囊中羞澀，諾伊斯和另一名學生被委以重任：到鄰近農場偷豬。兩人不負重望，搞出一只25磅的豬，英雄般地凱旋，宴會獲得極大成功。但第二天早晨情勢大變，在衣阿華，偷豬和盜馬，在50年前是上絞刑架的罪過。16

諾伊斯保住了小命，也逃脫了刑事控告，卻無法逃脫學校的處罰。經過一些交易，處罰不重：停學一學期，發(fā)配到紐約市公平人壽保險公司做統(tǒng)計工作。

臭名昭著的偷豬使諾伊斯臉面丟盡，卻也在紐約了解了花花世界。1949年初，回到格林納爾，他已煥然一新。秋天，22歲的諾伊斯考取了MIT的博士研究生。博士論文是《對絕緣體表面光電現(xiàn)象的研究》。在一次音樂會上，參加演出的諾伊斯與化妝師伊麗莎白一見鐘情，1953年一畢業(yè)就結了婚。17

諾伊斯沒有選擇大公司，而是去了較小的菲爾科公司。他對物質追求很淡漠，“我唯一的夢想是能同時買兩雙鞋，因為我是穿著哥幾個的舊鞋子長大的?！边@一干就是3年。

1956年，在華盛頓的技術報告會上，肖克利被他的報告深深打動。“1個月后，肖克利打來電話，說他打算到西海岸開一家公司，要與我商量加入該公司的事宜?！?/p>

招齊員工后，肖克利下令實驗室大量生產晶體管，要把成本降到每只5分錢。然而，肖克利雖然雄心勃勃，但對管理卻一竅不通，把實驗室的生產指揮得一塌糊涂，全然聽不進別人的善意規(guī)勸。18

年輕人徹底地失望了：一年之中，實驗室沒有任何拿得出手的產品問世。1957年，8位青年中的7人偷偷聚在一起，瞞著肖克利商量"叛逃"的辦法。想來想去，決定自己創(chuàng)辦一家公司。可他們也都不懂生產管理，大家一致同意"策反"諾依斯，他看起來是唯一有點兒領導才能的人。當8位青年聯(lián)名遞上辭職書的時候，肖克利不由得火冒三丈：

"你們簡直是一群叛徒！“肖克利指著諾依斯的鼻子，怒不可遏。年輕人們面面相覷，但還是義無返顧地離開了他們的“伯樂”。這就是電腦史上人所共知的有關“8大叛徒”的趣談，不過，肖克利本人后來也改口把他們稱為“8個天才的叛逆”。肖克利實驗室因主要骨干出走而一蹶不振。最后肖克利只好回到大學教書.19天才八叛逆1957年9月，“八叛逆”手拿《華爾街日報》，按紐約股票欄目挨家挨戶尋找合作伙伴，最后圈定了35家公司。201957年10月，地處美國東部的仙童照相器材和設備公司，為“八叛逆”投資了3500美元種子資金，組建起一家以諾依斯為首的仙童（Fairchild）半導體公司，仍在嘹望山租下一間小屋，著手制造一種雙擴散基型晶體管，以便用硅來取代傳統(tǒng)的鍺材料。在諾依斯精心運籌下，“仙童”的業(yè)務逐漸有了較大發(fā)展，員工增加到100多人。

同時，一整套制造硅晶體管的平面處理技術也日趨成熟。科學家赫爾尼(J·A·Hoermi)是眾"仙童"中的佼佼者，他像變魔術一般把硅表面的氧化層擠壓到最大限度。諾依斯等人首創(chuàng)的晶體管制造方法也與眾不同，他們先在透明材料上繪好晶體管結構，然后用拍照片的辦法，把結構顯影在硅片表面氧化層上，腐蝕去掉不需要的圖形后，再把那些具有半導體性質的微粒擴散到硅片上。21

這一套半導體平面處理技術仿佛為"仙童"們打開了一扇奇妙的大門，他們突然看到了一個廣闊的空間：用這種方法既然能做一個晶體管，為什么不能在硅片上集成幾十個、幾百個、乃至成千上萬個呢？1959年1月23日，諾依斯在日記里詳細地記錄了這一閃光的設想。

就在仙童公司諾依斯等人還在大膽設想的時候，晶體管的集成化試驗卻已在德克薩斯儀器公司悄悄地進行。22

幾乎在同一時期，美國南部達拉斯市，德克薩斯儀器公司（TI）的青年研究人員基爾比（J.kilby）也想到了類似的技術創(chuàng)意。

讀中學時，基爾比的父親期盼他能考上麻省理工學院，成為優(yōu)秀的電子工程師。考試的結果，成績一貫優(yōu)秀的基爾比以3分之差落第，不得已進入伊利諾伊大學就讀。

基爾比在伊利諾斯大學和威斯康星大學所學專業(yè)都是電子工程學，他從英國科學家達默的思想里獲得了啟發(fā)。達默（Dummer）早在1952年就指出，由半導體構成的晶體管，可以把它們組裝在一塊平板上而去掉之間的連線。

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達默（W.A.dummer)在英國的一次會議上講到電子學的可靠性時說過:"隨著晶體管的出現(xiàn)和半導體工作的普遍化，現(xiàn)在似乎可以設想在固體板塊中的電子設備無需連接的導線。板塊本身就包括了絕緣的導電層、整流和放大的材料，通過切割各層面積的辦法直接把電學功能連接在一起”。根據這種想法，基爾比在筆記本上畫出了設計草圖。24集成電路草圖基爾比（J.kilby）25

1958年7月，達拉斯天氣炎熱，TI公司宣布放一次長假，絕大多數(shù)員工興高采烈離開崗位?；鶢柋饶悄?5歲，到TI公司任職不足兩個月，無權享受休假的樂趣。人去樓空，反而給他提供了思考和試驗的機會。

基爾比曾在一家小型實驗室干了10年，搞過晶體管助聽器和其他電子工藝，積累了豐富的實踐經驗。TI公司目前交給他的任務是把許多單獨的晶體管擠進很小的空間，為軍方制作一種“微模組件”。

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基爾比暗自思忖，別看晶體管較大，其中真正起作用的，只是很小的晶體，尺寸不到百分之一毫米，而無用的支架、管殼卻占去多數(shù)體積。

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基爾比原來設想用硅材料制作電路，但TI公司沒有這種合適的硅片，他只得改用鍺材料進行實驗。終于，他成功地在一塊鍺片上形成了若干個晶體管、電阻和電容，并用熱焊的方法用極細的導線互連起來。世界上第一塊“集成”的固體電路就誕生在這塊微小的平板上，在不超過4平方毫米的面積上，基爾比大約集成了12個元件，是一種用于無線電設備的“移相振蕩器”。

1959年2月6日，基爾比向美國專利局申報專利，這種由元件組合的微型固體被叫做“半導體集成電路”

28第一個集成電路291958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎30

當基爾比發(fā)明集成電路的消息傳到硅谷，仙童半導體公司當即召集會議商議對策。諾依斯提出：可以用蒸發(fā)沉積金屬的方法代替熱焊接導線，這是解決元件相互連接的最佳途徑，因此，可以用平面處理技術來實現(xiàn)集成電路的大批量生產，仙童公司開始奮起疾追。1959年7月30日，他們采用先進的平面處理技術研制出集成電路，也申請到一項發(fā)明專利，題為“半導體器件——導線結構”；時間比基爾比晚了半年。于是，兩家公司為爭奪集成電路的發(fā)明權打起了官司，在整個60年代里相互控告。

311959年仙童制造的IC32

最后，法庭也只好一分為二，將集成電路的發(fā)明專利授予了基爾比，而將關鍵的內部連接技術專利授予了諾伊斯。兩人也就成為集成電路的共同發(fā)明人。

基爾比擁有第一個專利，但他的設計不夠實用；倒是諾伊斯的平面處理設計成了后來微電子革命的基礎，但他在專利申請上卻是后手。1966年，基爾比和諾依斯同時被富蘭克林學會授予美國科技人員最渴望獲得的巴蘭丁獎章?；鶢柋缺蛔u為“第一塊集成電路的發(fā)明家”，而諾依斯被譽為“提出了適合于工業(yè)生產的集成電路理論”的人33

雙方似乎都皆大歡喜，倒是基爾比對“共同發(fā)明人”這個詞還心有不甘：“我不那么樂意，我認為這是諾伊斯博士的說法?！?997年的一個電視節(jié)目說到了集成電路和JackKilby，"我們可以說微芯片是歷史上最重大的發(fā)明之一，它為無數(shù)的其他發(fā)明鋪平了道路。在過去的40年里，Kilby已經看到他的發(fā)明改變了世界。JackKilby是為數(shù)不多的幾個人之一，他可以環(huán)顧世界并對自己說"我改變了世界"。34

在基爾比發(fā)明集成電路不久后的1961年，德州儀器公司研制出第一臺用集成電路組裝的計算機，標志著電腦從此進入它的第三代歷史。該機共有587塊集成電路，重不過300克，體積不到100立方厘米，功率只有16瓦。仙童半導體起飛了。1960年，“八叛逆”忽然發(fā)現(xiàn)每人擁有25萬美元的公司股票。對這幫科學家來說，無疑這是一筆意外之財。但是，喜悅沒延續(xù)多久，公司就開始地震。人心浮動，經營失控，以往團結一致的整體開始渙散。35

諾依斯為人過于正真，甚至在公司危機時也沒有能力解雇或將人降職。他將仙童維持了將近10年，最終因他失去了對公司的控制而使公司陷入危機。

因此，在硅谷里演出了又一出“大叛逃”的喜劇。以技術骨干赫爾尼為首的4人首先出走，創(chuàng)辦阿內爾科公司，據說，赫爾尼后來手創(chuàng)的新公司達12家之多；其他人也先后出走，創(chuàng)辦過多家半導體公司。

銷售主管杰瑞·桑德斯則創(chuàng)立了AMD公司，也以研發(fā)和生產微處理器著稱，至今仍然是intel強有力競爭對手。36AMD的創(chuàng)始人、公司前任CEO杰瑞·桑德斯

桑德斯個性放蕩不羈

。開卡迪拉克，住幢豪華別墅，留長發(fā)，用最好的男性古龍水，甚至還穿出一條很女性化的粉紅色褲子。據說，他就是穿著這條褲子去IBM洽談生意?！胺奂t褲總裁”的稱呼不脛而走。37

1967年2月，仙童的總經理斯波克帶領4名手下離開公司，投奔國民半導體，主攻存儲器市場

。尤其在1981年，國民半導體成為美國第一家年收入超過10億美元的半導體廠商，在全球名列第三。這也是硅谷繼HP之后第二家銷售額達到10億美元的公司，但只用了HP達到這一規(guī)模的一半時間。這榮耀自然歸于公司的靈魂人物－－查爾斯·E·斯波克。他是第一位離去的總經理，是他的離去加速了仙童公司的破產。

從此，仙童的人心開始瓦解，人才外流無法抑制。一份又一份的個人簡歷從仙童飛出。38

從此，叛逆成了硅谷的基本特性和發(fā)展的重要途徑。生蛋孵雞式的裂變在“硅谷”已成家常便飯。以仙童公司為例，60年代末，由它前雇員辦的公司有38家，到了70年代初，竟達41家。到了1984年，直接或間接分出來的公司達到70多家。仙童公司當之無愧是硅谷的“西點軍?！?，硅谷里的半導體公司，半數(shù)以上是仙童公司的直接或間接后裔。

1969年在森納瓦舉行過一次半導體產業(yè)頭面人物的會議，有好事者作了計算，發(fā)現(xiàn)與會的400人中，只有24人沒有在仙童公司干過。

對于斯波克的離去,最受震驚的莫過于諾伊斯，畢竟斯波克是他的左膀右臂，公司的創(chuàng)建者之一，也是他準備托付公司的人?！拔矣X得一切都完了。坦率地說，我感到了巨大的個人損失。同自己喜愛的人一同工作，然后他們離開了你，這對我來說是最痛苦不過的?！?91968年，肖克利的"八叛逆"們大都出走自立門戶。諾依斯想起了激勵自己奮發(fā)圖新的一句箴言："任何一次革新都必須保持樂觀，沒有樂觀精神，就難以離開安穩(wěn)，去尋求變化和冒險。"他毅然決定脫離已經無法大顯身手的"仙童"，在不惑之年又重新回到創(chuàng)業(yè)的起點。諾依斯早就在仙童公司里物色了兩位創(chuàng)業(yè)伙伴，其中之一是名列“八叛逆”的摩爾。他早年畢業(yè)于加州理工學院，獲得化學及物理學雙博士學位,是仙童公司受人尊敬的發(fā)明家，才華出眾。另一位是在仙童公司從事經營管理的葛洛夫，原籍匈牙利，初來美國時連《紐約時報》上的大標題都讀不全，他全憑著毅力，在三年內讀完大學，接著又拿下加州大學化工博士學位。1963年，格羅夫進入仙童擔任摩爾的助理，其管理才能很快就被發(fā)覺.40格羅夫，諾伊斯與摩爾41摩爾（G.Moore）421929年1月3日，戈登·摩爾出生在加州舊金山的Pescadero

，距離舊金山以南50英里，是一個鄰海的小鎮(zhèn)。父親17歲時因祖父早逝而退學養(yǎng)家，擔任該縣司法長官的幫辦。母親則中學畢業(yè)，家庭環(huán)境并沒有給他的成長帶來多少熏陶。十一、二歲時，他忽然對化學產生興趣，立志要當名化學家。當時鄰居的孩子有一個獨特的圣誕禮物：一個化學裝置。里面有許多真正的化學試劑，可制造炸藥等許多東西。摩爾經常去找鄰居的孩子，私下里想玩玩那些試劑。這項愛好成全了他日后的遠大夢想——成為一名科學家。43

在學校，摩爾的聰穎很快顯露出來。但他并不是書呆子，比起做作業(yè)，他更愿意在運動上多花時間?！斑@種情形一直持續(xù)到高中，所以對我的今天，很多同學多少有點奇怪，那時我并不是班里最好的學生?！敝袑W畢業(yè)后，摩爾如愿以償考入計算機重鎮(zhèn)——加州伯克利大學，學習他向往以久的化學專業(yè)。1950年，摩爾獲學士學位，繼續(xù)在加利福尼亞理工學院深造，1954年獲物理化學博士學位。作為家中的第一個大學生，這無疑是摩爾家族始料不及的榮譽。44

摩爾曾想在家鄉(xiāng)附近的西海岸，過平靜的學院研究生活。他進了約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室，兩年漫無目的的研究工作，改變了他的思想。當時他的方向是觀察紅外吸收線性狀和火焰分光分析。不久研究小組因兩個上司的離去而名存實亡。“我開始計算自己發(fā)表的文章，結果是每個單詞5美元，對基礎研究來說這相當不錯。但我不知道誰會讀這些文章，政府能否從中獲得相應的價值”。摩爾還擁有多項重要專利。

摩爾準備放棄不著邊際的基礎研究，十分湊巧的是，晶體管發(fā)明人肖克利正在招兵買馬，想在加州建一個半導體公司，正需一個化學家。對摩爾來說，肖克利更是如雷貫耳。45

在仙童公司摩爾開始是技術部經理，后執(zhí)掌研發(fā)部，從事的是肖克利實驗室搞過的2N692雙擴散晶體管項目。摩爾和赫爾尼負責擴散工藝。當時剛租賃的房屋還未最后竣工，甚至沒有通電。大伙只好與農民一般，日出而作，日落而息.公司設立兩個小組，探索最佳結構，最后摩爾領導的小組因生產率高而獲勝。摩爾直接向諾伊斯報告工作，進一步促成了未來共同創(chuàng)業(yè)的志向。

摩爾的長相和個性與諾伊斯完全不同。諾伊斯身高1.77米，頭發(fā)烏黑，而摩爾身高超過1.8米，頭頂光禿。在每次晚會上，諾伊斯都是熱情奔放，全身心投入——飲酒、唱歌、耍弄花招，施展謀略，而且從不認輸，敢于迎接任何挑戰(zhàn)。而摩爾總是同幾個最親近的朋友圍坐桌旁，輕聲細語地閑聊。摩爾的性情相當沉著、平靜。他有兩大愛好：一是在岸邊執(zhí)桿垂釣；一是在湖上滑船游憩。461965年，有一天摩爾離開硅晶體車間坐下來，拿了一把尺子和一張紙，畫了個草圖?？v軸代表不斷發(fā)展的芯片，橫軸為時間，結果是很有規(guī)律的幾何增長。他發(fā)現(xiàn)集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，以每年翻一番的速度穩(wěn)定增長。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在當年第35期《電子學》雜志上，并預言在今后數(shù)十年內保持著這種勢頭。474849

當時，集成電路問世才６年。摩爾的實驗室也只能將５０只晶體管和電阻集成在一個芯片上。摩爾當時的預測聽起來好像是科幻小說；此后也不斷有技術專家認為芯片集成的速度“已經到頂”。但事實證明，摩爾的預言是準確的。盡管這一技術進步的周期已經從最初預測的１２個月延長到如今的近１８個月，但“摩爾定律”依然有效。目前最先進的集成電路已含有１７億個晶體管。

摩爾定律神奇地靈驗了三十多年，連摩爾自己也驚訝不已。

摩爾的這個預言，是他一生中最為重要的文章。這篇不經意之作也是迄今為止微電子產業(yè)歷史上最具意義的論文。它給了微電子技術人員和投資商以極大的信心。50摩爾定律證明了他無與倫比的天才預感。摩爾的這個預言，因集成電路芯片后來的發(fā)展曲線得以證實，并在較長時期保持著有效性，被人譽為“摩爾定律”。至此而后，集成電路迅速把電腦推上高速成長的快車道。

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憑借諾依斯的名譽，要籌集創(chuàng)辦新企業(yè)的款項是輕而易舉的。他曾經說道，他只需花半小時就能籌到資金。那一天，諾依斯來到硅谷著名風險資本家阿瑟·羅克的辦公室，提出準備新辦公司的設想。羅克隨即拿起了電話，連續(xù)撥通了幾個號碼，然后回過頭說道：

“250萬，夠了吧？”諾依斯低頭看看表，時間也就是30分來鐘。

52硅谷的人們一致公認：諾依斯-葛洛夫-摩爾，是創(chuàng)業(yè)班子的最佳搭檔。諾依斯是公司的"臉面"，他最能吸引和團結人才，組織推動商業(yè)行銷。葛洛夫果斷干練，具有"鐵石心腸"，做事雷厲風行，擅長于管理和鞭策下屬。摩爾天生一個科學家的頭腦，又善于運籌帷幄，公司的技術核心非他莫屬。IntelligenceMoore-Noyce

公司

三位創(chuàng)業(yè)者精心商議，最后決定采納摩爾的建議，把新公司取名為"英特爾"，五個英文字母INTEL的寓意為"集成電子"。

公司Intel公司53摩爾與諾伊斯541969年末，在風景如畫的塔希提島上，Intel的設計師霍夫突發(fā)奇想，能不能將此前一直分離的負責數(shù)據處理的核心存儲器與負責存儲的邏輯存儲器結合起來，做在一塊芯片上？他找到上司諾伊斯，諾伊斯的回答只有一個字：“干”。兩年后，世界上第一款CPU——Intel4004誕生了。

這一芯片有108千赫，在它3毫米×4毫米的掩模上，有2250個晶體管，每個晶體管的距離是10微米——也就是說每個晶體管線條寬度只有一根頭發(fā)的千分之一，每秒運算6萬次?；叵肫饋?，這在當時的確是非常了不起的成就：一粒米大小的芯片內核，其功能居然與世界上第一臺計算機——占地170平方米的、擁有1.8萬個晶體管的“愛尼亞克”相等，這在當時是聞所未聞！55Intel4004，小芯片征服大世界

56第一個CPU：400457

自從Intel公司在1971年11月15日推出了世界上首顆微處理器——4004后，隨后Intel又推出了8位的8008/8085，其中79年推出的8088首次被IBM的PC機所采用，在8088之后，Intel又相繼發(fā)布了16位的8086/80286，32位的80386/80486(也稱i486)，直到后來被大家所熟悉的Pentium(80586)、PentiumMMX、PentiumII，直到今天的PentiumIII、Pentium4，64位的Itanium,Core………，以及尚未發(fā)布的Northwood，不知不覺中微處理器已經走過了40年的歷程。58

諾伊斯雖然沒能受到諾貝爾獎的青睞，但他當之無愧是微電子產業(yè)的教父，因為不僅是集成電路的發(fā)明人之一，也是現(xiàn)代微電子學的重要奠基人，他更直接推動了集成電路產業(yè)化的發(fā)展，他所創(chuàng)建的仙童半導體公司造就了一大批微電子公司的領頭人，是硅谷最重要的奠基人之一，并且他還親手創(chuàng)立了至今在世界微電子領域獨步天下的Intel帝國，他對微電子產業(yè)的貢獻無人能比，即使基爾比也只能望其項背。1990年，諾伊斯在一次游泳時，突發(fā)心脹病去世。微電子產業(yè)的教父592001年10月28日，摩爾向母校加利福尼亞理工學院捐款6億美元，創(chuàng)造了美國單一學校獲得的最大筆捐款記錄（此前最高記錄是2000年2月28日，IDG創(chuàng)始人麥戈文宣布向其母校MIT捐贈3.5億美元，2001年5月，HP共同創(chuàng)始人威廉·休利特向斯坦福大學捐獻4億美元。）。這項捐款，將用于該校未特指的項目，捐款將在10年內付清。72歲的摩爾說：“加利福尼亞理工學院歷史上曾創(chuàng)造過巨大科學貢獻。我的捐款最好不要用于蓋樓房，而應該用它干一番新事業(yè)?！敝Z伊斯去世后，摩爾和格羅夫先后擔任過INTEL總裁。60

加利福尼亞理工學院，是一個僅有2000名本科生和研究生的小型大學，但它擁有28位諾貝爾獎金獲得者。該學院的科學家們，發(fā)現(xiàn)了噴氣飛機的原理、解釋了化學粘合劑的特性、奠定了分子生物學和最先進的地震學的基礎等。摩爾的捐款，達到了加利福尼亞理工學院12億美元資助的一半。該學院院長說：“我們遇到了來自許多其他大學的競爭，摩爾的這筆捐款將保持我們的競爭能力?！边@位身價超過260億美元的70多歲老人表示，在退出公司董事會后，他將繼續(xù)擔任公司的顧問。當然，更重要的是，他要在余生，將自己的財富發(fā)揮最大的作用，這個意義不亞于他在英特爾的貢獻，當然，也同樣具有挑戰(zhàn)性。612000年10月10日，瑞典皇家科學院宣布，基爾比與另外兩位科學家共同分享諾貝爾物理學獎，以表彰他們?yōu)樾畔⒓夹g所作出的基礎性貢獻?；鶢柋确窒砹私偃f美元的一半。除了集成電路，他還是袖珍計算器的發(fā)明者之一，擁有60多項美國專利，1982年，TI成功地推出了業(yè)界第一枚商業(yè)化可編程DSP元件；今天，TI已成為全球DSP的領導廠商，其市場占有率超過47.1％。。

二、從晶體管到ULSI-集成電路工藝、邏輯設計、簡述6263

1簡化N阱CMOS

工藝演示64氧化層生長光刻1，刻N阱掩膜版氧化層P-SUB65曝光光刻1，刻N阱掩膜版光刻膠掩膜版66氧化層的刻蝕光刻1，刻N阱掩膜版67N阱注入光刻1，刻N阱掩膜版68形成N阱N阱P-SUB69氮化硅的刻蝕光刻2，刻有源區(qū)掩膜版二氧化硅掩膜版N阱70場氧的生長光刻2，刻有源區(qū)掩膜版二氧化硅氮化硅掩膜版N阱71去除氮化硅光刻3，刻多晶硅掩膜版FOXN阱72重新生長二氧化硅（柵氧）光刻3，刻多晶硅掩膜版柵氧場氧N阱73生長多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版多晶硅N阱74刻蝕多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版掩膜版N阱75刻蝕多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版多晶硅N阱76P+離子注入光刻4，刻P+離子注入掩膜版掩膜版P+N阱77N+離子注入光刻5，刻N+離子注入掩膜版N+N阱78生長磷硅玻璃PSGPSGN阱79光刻接觸孔光刻6，刻接觸孔掩膜版P+N+N阱80刻鋁光刻7，刻Al掩膜版AlN阱81刻鋁VDDVoVSSN阱82光刻8，刻壓焊孔掩膜版鈍化層N阱MOS門電路：以MOS管作為開關元件構成的門電路

MOS管有增強型和耗盡型兩種，在數(shù)字電路中多采用增強型

MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補，稱為CMOS管(意為互補)MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，得到了十分迅速的發(fā)展2.2CMOS集成邏輯門電路

D接正電源截止導通導通電阻相當小

（1）NMOS管的開關特性

開關特性

VGS＞VTN時導通取:VTN=2VD接負電源

（2）PMOS管的開關特性

截止取:VTP=－2V即:|VGS|

＞|VTP|=

2V時導通|VGS|

＞|VTP|時導通CMOS反相器（1）uA＝0V時，TN截止，TP導通。輸出電壓uY＝VDD＝10V。（2）uA＝10V時，TN導通，TP截止。輸出電壓uY＝0V。驅動管負載管其它功能的CMOS門電路1、CMOS與非門①A、B當中有一個或全為低電平時，TN1、TN2中有一個或全部截止，TP1、TP2中有一個或全部導通，輸出Y為高電平。②只有當輸入A、B全為高電平時，TN1和TN2才會都導通，TP1和TP2才會都截止，輸出Y才會為低電平。驅動管串聯(lián)負載管并聯(lián)CMOS或非門①只要輸入A、B當中有一個或全為高電平，TP1、TP2中有一個或全部截止，TN1、TN2中有一個或全部導通，輸出Y為低電平。②只有當A、B全為低電平時，TP1和TP2才會都導通，TN1和TN2才會都截止，輸出Y才會為高電平。驅動管并聯(lián)負載管串聯(lián)與門Y=AB=AB或門Y=A+B=A+B3、CMOS與或非門二、SRAM的靜態(tài)存儲單元

靜態(tài)存儲單元是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎上附加門控管而成，它是靠觸發(fā)器的自保持功能存儲數(shù)據的。

圖7.3.5是由六只N溝道增強型MOS管組成的靜態(tài)存儲單元。1.MOS管構成：2.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）圖7.3.5圖7.3.52.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）其中：T1~T4：組成基本SR鎖存器，用于記憶一位二值代碼；T5、T6：是門控管，作模擬開關使用，用來控制觸發(fā)器的Q、Q

，和位線Bj、Bj

之間的聯(lián)系。T5、T6的開關狀態(tài)是由字線Xi決定，當Xi

＝1時，T5、T6導通，鎖存器的輸出和位線接通；當Xi＝0時，T5、T6截止，鎖存器與位線斷開。圖7.3.52.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）T7、T8：是每一列存儲單元公用的兩個門控管，用于和讀/寫緩沖放大器之間的連接T7、T8是由列地址譯碼器的輸出端Yj來控制的。當Yj

＝1時，所在的列被選中，T7、T8導通，這時第i行第j列的單元的單元與緩沖器相連；當Yj

＝0時，T7、T8截止。圖7.3.52.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）工作原理：2.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）當存儲單元所在的一行和所在地一列同時被選中以后，即Xi

＝1，Yj

＝1，T5、T6

、T7、T8均處于導通狀態(tài)，Q、Q

和Bj、Bj

之間接通。若這時CS

＝0，R/W

＝1,則讀/寫緩沖放大器的A1接通，A2、A3不通，Q的狀態(tài)經A1送到I/O端，實現(xiàn)數(shù)據讀出圖7.3.52.4動態(tài)RAM(DRAM)集成度高，功耗低具有易失性，必須刷新破壞性讀出，必須讀后重寫讀后重寫，刷新均經由刷新放大器進行

動態(tài)存儲電路若CS

＝0，R/W

＝0，則A1不通，A2、A3接通，加到I/O的數(shù)據被寫入存儲單元。注：由于CMOS電路的功耗極低，雖然制造工藝比較復雜，但大容量的靜態(tài)存儲器幾乎全部采用CMOS存儲單元2.3靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）圖7.3.5DRAMcells’capacitor三、微電子行業(yè)發(fā)展規(guī)律及趨勢98Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一GordonE.Moore預言集成電路產業(yè)的發(fā)展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小倍Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量60%/年

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預測

半導體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番

1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002芯片上的體管數(shù)目

微處理器性能

每三年翻兩番Moore定律：i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,000微處理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術微電子技術的進步按此比率下降，小汽車價格不到1美分Moore定律

性能價格比在過去的20年中，改進了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進1,000,000倍很可能還將持續(xù)40年等比例縮小(Scaling-down)定律等比例縮小(Scaling-down)定律1974年由Dennard基本指導思想是：保持MOS器件內部電場不變：恒定電場規(guī)律，簡稱CE律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導和減少負載電容，提高集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數(shù)漏源電流方程：由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均縮小了

倍，Cox增大了

倍，因此，IDS縮小

倍。門延遲時間tpd為：其中VDS、IDS、CL均縮小了

倍，所以tpd也縮小了

倍。標志集成電路性能的功耗延遲積PW

tpd則縮小了

3倍。恒定電場定律的問題閾值電壓不可能縮的太小源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小電源電壓標準的改變會帶來很大的不便恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進行等比例縮小按CV律縮小后對電路性能的提高遠不如CE律，而且采用CV律會使溝道內的電場大大增強CV律一般只適用于溝道長度大于1

m的器件，它不適用于溝道長度較短的器件。準恒定電場等比例縮小規(guī)則，縮寫為QCE律CE律和CV律的折中，世紀采用的最多隨著器件尺寸的進一步縮小，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小

倍，而電源電壓則只變?yōu)樵瓉淼?/p>

/

倍微電子技術的

三個發(fā)展方向21世紀硅微電子技術的三個主要發(fā)展方向特征尺寸繼續(xù)等比例縮小集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)微電子技術與其它領域相結合將產生新的產業(yè)和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等微電子技術的三個發(fā)展方向第一個關鍵技術層次：微細加工目前0.25

m和0.18

m已開始進入大生產0.15

m和0.13

m大生產技術也已經完成開發(fā)，具備大生產的條件當然仍有許多開發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開發(fā)，為EDA服務的器件模型模擬開發(fā)以及基于上述加工工藝的產品開發(fā)等在0.13-0.025um階段，最關鍵的加工工藝—光刻技術還是一個大問題，尚未解決微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小第二個關鍵技術：互連技術銅互連已在0.25/0.18um技術代中使用；但是在0.13um以后，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究開發(fā)微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術與器件特征尺寸的縮?。ㄙY料來源：SolidstateTechnologyOct.,1998）

第三個關鍵技術新型器件結構新型材料體系高K介質金屬柵電極低K介質SOI材料微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小

傳統(tǒng)的柵結構

重摻雜多晶硅SiO2

硅化物

經驗關系:L

ToxXj1/3柵介質的限制

隨著

tgate

的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵氧化層柵氧化層的勢壘GSD直接隧穿的泄漏電流柵氧化層厚度小于3nm后tgate大量的晶體管

限制：tgate~3to2nm柵介質的限制柵介質的限制

等效柵介質層的總厚度：

Tox>1nm+t柵介質層

Tox

t多晶硅耗盡

t柵介質層

t量子效應++

由多晶硅耗盡效應引起的等效厚度

:t多晶硅耗盡

0.5nm

由量子效應引起的等效厚度:t量子效應0.5nm

～

～

限制：等效柵介質層的總厚度無法小于1nm隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數(shù)大的高K材料來替代SiO2SiO2無法適應亞50納米器件的要求柵介質的限制SiO2（

＝3.9）SiO2/Si界面硅基集成電路發(fā)展的基石得以使微電子產業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯底上的硅)技術SOI技術：優(yōu)點完全實現(xiàn)了介質隔離,徹底消除了體硅CMOS集成電路中的寄生閂鎖效應速度高集成密度高工藝簡單減小了熱載流子效應短溝道效應小,特別適合于小尺寸器件體效應小、寄生電容小，特別適合于低壓器件SOI材料價格高襯底浮置表層硅膜質量及其界面質量SOI技術：缺點隧穿效應SiO2的性質柵介質層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質?雜質漲落器件溝道區(qū)中的雜質數(shù)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結構?電子輸運的渡越時間～碰撞時間微觀物理的輸運理論?溝道長度

L<50納米L源漏柵Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

柵介質層新一代小尺寸器件問題帶間隧穿反型層的量子化效應電源電壓1V時，柵介質層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型?…...可靠性0.1umSub0.1um2030年后，半導體加工技術走向成熟，類似于現(xiàn)在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的情況誕生基于新原理的器件和電路集成電路走向系統(tǒng)芯片SOCSystemOnAChip集成電路走向系統(tǒng)芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的連線延時、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求IC設計與制造技術水平的提高，IC規(guī)模越來越大，已可以在一個芯片上集成108~109個晶體管分立元件集成電路IC

系統(tǒng)芯片SystemOnAChip(簡稱SOC)將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上在需求牽引和技術推動的雙重作用下系統(tǒng)芯片(SOC)與集成電路(IC)的設計思想是不同的，它是微電子技術領域的一場革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片六十年代的集成電路設計微米級工藝基于晶體管級互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設計PEL2MEMMathBusControllerIOGraphicsPCB集成工藝無關系統(tǒng)亞微米級工藝依賴工藝基于標準單元互連主流CAD:門陣列標準單元集成電路芯片世紀之交的系統(tǒng)設計SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞微米級工藝基于IP復用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設計MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceSOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能SOC必須采用從系統(tǒng)行為級開始自頂向下(Top-Down)地設計SOC的優(yōu)勢嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問題嵌入式CPUCore可以使設計者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的輸出緩沖器使DRAM和CPU之間的速度接近集成電路走向系統(tǒng)芯片SOC與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標若采用SOC方法和0.35

m工藝設計系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0.25~0.18

m工藝制作的IC所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能與采用常規(guī)IC方法設計的芯片相比，采用SOC完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目可以有數(shù)量級的降低集成電路走向系統(tǒng)芯片21世紀的微電子將是SOC的時代SOC的三大支持技術軟硬件協(xié)同設計：Co-DesignIP技術界面綜合(InterfaceSynthesis)技術集成電路走向系統(tǒng)芯片軟硬件Co-Design面向各種系統(tǒng)的功能劃分理論(FunctionPartationTheory)計算機通訊壓縮解壓縮加密與解密集成