一、集成電路的發(fā)明與技術(shù)進(jìn)步
1.1 集成電路與集成電路產(chǎn)業(yè)，Integrated Circuit（IC）1.1.1 集成電路的概念集成電路（Integrated Circuit，IC）是指通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻器、電容器等無源元件，按照一定的電路互連，“集成”在半導(dǎo)體（如硅或砷化鎵等化合物）晶片上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定功能的電路或系統(tǒng)。1.1.2 集成電路的發(fā)明集成電路由美國德州儀器公司（Texas Instruments，TI）的基爾比（Jack S. Kilby）和仙童公司（Fairchild Co.）的諾伊斯（Robert N.Noyce）分別于1958年和1959年發(fā)明。至2018年，集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)度過了60個春秋。1.1.3 摩爾定律集成電路自發(fā)明以來，經(jīng)過20世紀(jì)60年代和70年代的發(fā)展，逐步形成了集成電路產(chǎn)業(yè)。1965年，仙童公司的戈登·摩爾（Gordon E.Moore）在《電子學(xué)》雜志上發(fā)表了對集成電路技術(shù)發(fā)展的預(yù)測，他認(rèn)為，在"最低元件成本下集成電路的復(fù)雜度大約每年增長一倍”，這就是最初的“摩爾定律”。1975年，摩爾將上述"每年增長一倍"的推斷進(jìn)行了修正，改為每兩年增長一倍。迄今，CPU上晶體管數(shù)目的變化與摩爾的預(yù)測相符，而存儲器上晶體管的數(shù)目大約每18個月增加一倍。1.1.4 集成電路經(jīng)營模式集成電路最初的生產(chǎn)商基本是“自產(chǎn)自銷”的系統(tǒng)廠商。其后，一種獨立生產(chǎn)集成電路、面向所有系統(tǒng)廠商的企業(yè)形式出現(xiàn)。這種自行設(shè)計，用自己的生產(chǎn)線加工、封裝、測試，成品芯片自行銷售的集成電路制造商稱為IDM （Integrated Device Manufacture，集成器件制造商）。隨著集成電路技術(shù)的演進(jìn)，集成電路封裝、設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)也出現(xiàn)了獨立的企業(yè)，形成了由專業(yè)封裝、“無工藝生產(chǎn)線”（Fabless）、“專業(yè)代工制造”（Foundry），以及只銷售知識產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property Core，IP核）并不生產(chǎn)集成電路（Chipless）的多種企業(yè)組成的集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。此外，集成電路全產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還包括了電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具提供商、集成電路生產(chǎn)材料廠商和集成電路制造設(shè)備廠商，以及人才培養(yǎng)、人才培訓(xùn)、產(chǎn)業(yè)投資、中介服務(wù)等多個層面。1.1.5 集成電路工藝的進(jìn)步集成電路最初的加工線寬為10μm 量級，隨著銅互連、浸沒式光刻、3D封裝等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，2018年風(fēng)險量產(chǎn)集成電路的加工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到7nm，2020年是5nm，2022年是3nm。作為集成電路的襯底，硅圓片的直徑已由最初的1in（約25.4mm）增長到現(xiàn)在的300mm（約12in）。硅圓片的直徑早期以in為單位，如4in、5in，后期在硅圓片直徑達(dá)到150mm時全部以mm為單位。通常國內(nèi)業(yè)界將直徑為150mm的硅圓片俗稱為6in的硅圓片；將直徑為200mm的硅圓片俗稱為8in的硅圓片；將直徑為300mm的硅圓片俗稱為12in的硅圓片。1.2 電子管、晶體管的發(fā)明與應(yīng)用1.2.1 電子管的發(fā)展最初，電子設(shè)備的核心部件是電子管，電子管控制電子在真空中的運動。1879年，美國發(fā)明家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas A.Edison）點亮了第一支有實用價值的電燈。1880年1月27日，愛迪生申報了發(fā)明電燈的專利。1904年，英國發(fā)明家弗萊明（J.A.Flemimg）在研究“愛迪生效應(yīng)”的基礎(chǔ)上，在只有燈絲的“燈泡”里加了一塊金屬板（陽極），發(fā)明了真空二極管并取得專利。此后，真空二極管在無線電技術(shù)中被用于檢波和整流。1907年，美國發(fā)明家德·福雷斯特·李（De F.Lee）在二極管中加入了一個格柵，制造出第一支真空電子三極管。三極管集“放大”“檢波”和“振蕩”功能于一身。這使得它成為無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的核心部件。在1918年，美國一年內(nèi)就制造了100多萬個電子管。這已經(jīng)是第一次世界大戰(zhàn)（1914——1918年）前的50多倍。至20世紀(jì)50年代中期，家用收音機(jī)均由電子管構(gòu)成。1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)了世界上第一臺電子數(shù)字積分計算機(jī)（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）。馮·諾依曼（John von Neumann）是該研發(fā)團(tuán)隊成員之一。ENIAC占地面積約170m2，質(zhì)量達(dá)30t，功耗150kW，包含了17468個電子管；每秒可執(zhí)行5000次加法運算或400次乘法運算，計算速度是繼電器計算機(jī)的1000倍、手工計算的20萬倍。電子管的主要缺點有加熱燈絲需耗費時間，延長了工作的啟動過程；同時燈絲發(fā)出的熱量必須時時排出，且燈絲壽命較短。以ENIAC為例，幾乎每15min就可能燒掉一個電子管，導(dǎo)致整臺計算機(jī)停止運轉(zhuǎn)；而至少還要花費15min 以上的時間，才能在17468個電子管中尋找出損毀的那一個。因此，ENIAC的平均無故障工作時間僅為7min。為此，人們迫切希望一種不需要預(yù)熱燈絲的、耗能低的、能控制電子在固體中運動的器件來替代電子管。1.2.2 晶體管的發(fā)展1946年，美國貝爾實驗室成立了由肖克萊（William B.Shockley）、巴?。↗ohn Bardeen）和布拉頓（Walter H. Brattain）組成的固體物理學(xué)研究小組。1947年12月16日，布拉頓和巴丁實驗成功點接觸型鍺三極管，這是世界上第一個晶體管。初步測試的結(jié)果顯示，該器件的電壓增益為100，上限頻率可達(dá)10000Hz。布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來工作的，于是將其取名為Trans-resister（轉(zhuǎn)換電阻），后來縮寫為Transistor。1948年，肖克萊提出了pn結(jié)型晶體管的理論，并于1950年與斯帕克斯（Morgan Sparks）和戈登·K.蒂爾（Gordon K. Teal）一起成功研制出鍺 mpn 三極管。晶體管的發(fā)明開創(chuàng)了微電子學(xué)科的先河。晶體管與電子管相比，其優(yōu)點是壽命長、耗電少、體積小，無須預(yù)熱，耐沖擊和耐振動，因此很快得到市場的青睞。1953年，助聽器作為第一個采用晶體管的商業(yè)化設(shè)備投入市場。1954年10月18日，第一臺晶體管收音機(jī)Regency TR1投入市場，僅包含4個鍺晶體管。到1959年，在售出的1000萬臺收音機(jī)中，已有一半使用了晶體管。1954年1月，貝爾實驗室使用684個晶體管組裝了世界上第一臺晶體管數(shù)字計算機(jī)（Transistor Digital Computer，TRADIC）。1957年，IBM開始銷售使用了3000個鍺晶體管的608計算機(jī)，這是世界上第一種投入商用的計算機(jī)。與使用電子管的計算機(jī)相比，IBM 608計算機(jī)的功耗要低90%，它的時鐘頻率是100kHz，支持9條指令，兩個9位BCD數(shù)的平均乘法運算時間僅為11ms，質(zhì)量約1t。1.3 集成電路的發(fā)明20世紀(jì)60年代初，一臺能夠進(jìn)行四則運算、乘方、開方的計算器，其質(zhì)量和一臺21in CRT電視機(jī)相當(dāng)，體積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過算盤和計算尺。1952年，英國科學(xué)家達(dá)默（G.W.A.Dummer）在英國皇家信號和雷達(dá)機(jī)構(gòu)（Royal Signal & Radar Establishment）的一次電子元器件會議上，首先提出并描述了集成電路的概念。他說∶“隨著晶體管的出現(xiàn)和對半導(dǎo)體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設(shè)備是一種沒有連接線的固體組件?！彪m然達(dá)默的設(shè)想當(dāng)時并未付諸實施，但是他為人們的深入研究指明了方向。1958年，在德州儀器（Texas Instruments，TI）負(fù)責(zé)電子裝備小型化工作的基爾比（Jack S.Killy）提出了集成電路的設(shè)想∶"由于電容器、電阻器、晶體管等所有部件都可以用一種材料制造，我想可以先在一塊半導(dǎo)體材料上將它們做出來，然后進(jìn)行互連而形成一個完整的電路?！保ㄟ@是基爾比2001年訪問北京大學(xué)時與王陽元的對話。）1958年9月12日和19日，基爾比分別完成了移相振蕩器和觸發(fā)器的制造和演示，標(biāo)志了集成電路的誕生（由于當(dāng)時TI 的生產(chǎn)條件限制，基爾比的集成電路是由鍺晶體管構(gòu)成的）。1959年5月6 日，TI公司為此申請了小型化的電子電路（Miniaturized Electronic Circuit）專利（專利號為No.3138744，批準(zhǔn)日期為1964年6月23日）。基爾比和第一個集成電路專利1959年3月6日，TI公司在紐約舉行的無線電工程師學(xué)會（Institute of Radio Engineers，IRE，現(xiàn)電氣和電子工程師協(xié)會（Institute of Electrieal and Electronics Engineers，IEEE）的前身）展覽會的記者招待會上公布了“固體電路（Solid State Circuit）"，即集成電路（Integrated Circuit，IC）的發(fā)明。在TI公司申請了集成電路發(fā)明專利的5個月以后，即1959年7月30日，仙童公司（Fairchild Co.）的諾伊斯（Robert N. Noyce）申請了基于硅平面工藝的集成電路專利（專利號為No.2981877，批準(zhǔn)日期為1961年4月25日）。諾伊斯的發(fā)明更適合集成電路的大批量生產(chǎn)。諾伊斯和平面集成電路專利2000年，基爾比被授予諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾獎評審委員會曾評價基爾比“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。遺憾的是，諾貝爾獎不頒給已故之人，而諾伊斯于1990年6月3日辭世，因此未能獲此殊榮。當(dāng)我們看到第一枚集成電路樣品時，我們會對它的簡陋與粗糙感到訝異，但其中蘊含的博大與精深的智慧卻永遠(yuǎn)值得我們深思。1.4 集成電路產(chǎn)業(yè)中信息獲取、存儲與處理的里程碑1.4.1 集成電路在信息獲取領(lǐng)域的發(fā)展圖像傳感器（Imaging Sensor）和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）是集成電路在信息獲取領(lǐng)域取得重要成果的兩個里程碑。1969年，美國貝爾實驗室（Bell Labs）的威拉德·博伊爾（Willard S.Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）發(fā)明的電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）解決了光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的問題。2009年，兩位發(fā)明人獲諾貝爾物理學(xué)獎。1992年，美國噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的埃里克·弗薩姆（EricFossum）發(fā)明了CMOS有源像素傳感器（CMOS Active Pixel Sensor）。與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價比CD便宜1/3的優(yōu)點。當(dāng)前，數(shù)碼相機(jī)（包括手機(jī)）的感光裝置主要是CMOS圖像傳感器。1.4.2 集成電路在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展始于硅微壓力傳感器。1959年，理查德·菲利普斯·費曼（Richard P.Feynman）提出了微型機(jī)械的設(shè)想。1987年，加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60~12μm的電動機(jī)。微機(jī)電系統(tǒng)可以集成速度、溫度、濕度、高度、聲音、壓力、方位、氣體等更多的傳感器，使人們通過直覺感受到的模擬信息（快慢、冷熱、干濕、力度）能夠精確地數(shù)字化。被傳感器采集的數(shù)據(jù)在MEMS內(nèi)部進(jìn)行存儲和處理后，既可以輸出到內(nèi)部的執(zhí)行器，如陀螺、電動機(jī)，也可以與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。1.4.3 集成電路在存儲領(lǐng)域的發(fā)展半導(dǎo)體存儲器最大的貢獻(xiàn)是解決了海量信息的存儲問題。人類最初存儲信息的媒介是大腦，傳播信息的方式是口傳心授。其后，人類歷史發(fā)展的信息存儲于自然界的物體（如巖石、龜甲、竹簡、羊皮）、人工制造的器物（如銅器、陶器）和建筑物之中。紙張是人類用于存儲信息最廣也是最久遠(yuǎn)的媒體。電子計算機(jī)的存儲器最初是機(jī)電裝置（如繼電器），后為磁性介質(zhì)（如磁鼓、磁帶、磁芯）。但磁性介質(zhì)依然存在體積大、質(zhì)量大、存儲量小的弊端。繼1963年美國仙童公司的弗朗克·萬拉斯（Frank Wanlass）和薩支唐（Chi-Tang Sah）提出金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）概念之后，在1967年7月，同時發(fā)明了兩種半導(dǎo)體存儲器∶一是在IBM工作的登納德（Robert Dennard）發(fā)明的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），二是在美國貝爾實驗室工作的華裔科學(xué)家施敏和韓裔科學(xué)家姜大元發(fā)明的非易失性半導(dǎo)體存儲器（Non-volatile Semiconductor Memory，NVSM）。1969年，Intel研制成功64bit雙極靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）芯片C3101，開創(chuàng)了半導(dǎo)體存儲器的先河。1984年，根據(jù)NVSM原型，日本東芝公司的舛岡富士雄（Fujio Masuoka）開發(fā)出了閃速存儲器（Flash Memory）。DRAM保存數(shù)據(jù)的時間很短，需要定時刷新，一般作為計算機(jī)的內(nèi)存?？扉W存儲器可以長期保存數(shù)據(jù)，一般作為計算機(jī)的外存。1970年，Intel采用12μm工藝開發(fā)的1Kbit MOS DRAM（C1103型）問世。1Kbit DRAM的商品化使得半導(dǎo)體存儲器迅速在計算機(jī)中取代了磁芯存儲器。今天，DRAM的存儲量已經(jīng)達(dá)到10^9bit數(shù)量級。1988年，Intel率先生產(chǎn)了256Kbit 閃存芯片并將其投放市場。今天，由閃存構(gòu)成的固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）的最大容量已經(jīng)達(dá)到10^13bit數(shù)量級，大有取代機(jī)械硬盤（Hard Disk Drive，HDD）的趨勢。1.4.4 集成電路在處理器領(lǐng)域的發(fā)展最早的數(shù)據(jù)處理器可以追溯到算籌、算盤、計算尺、機(jī)械計算機(jī)以及后來的電子管計算機(jī)和晶體管計算機(jī)，雖然后者的計算速度大大超過了前者，但其體積、質(zhì)量與功耗難以為一般企業(yè)、家庭，更不用說個人所接受。1971年，Intel的霍夫（Hoff）發(fā)明了型號為4004的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），集成電路作為最重要的角色登上了信息處理的歷史舞臺。迄今，微處理器（Microprocessor Unit，MPU）已經(jīng)成為所有電子設(shè)備不可或缺的核心部件。1.5 集成電路材料發(fā)展的里程碑1.5.1 第一代半導(dǎo)體材料：以鍺和硅為主最早的半導(dǎo)體材料是鍺。世界第一個晶體管和第一塊集成電路的材料均是鍺。1886年，德國化學(xué)家溫克勒（C.A.Winkler）首先制備出鍺，為紀(jì)念其祖國，他把這種新元素命名為Germanium，來源于德國的拉丁文名稱“Germania”。1950年，美國人蒂爾（G.K.Teal）和里特爾（J.B.Little）采用切克勞斯基（J.Czochralski）法（又稱直拉法或CZ法）拉出鍺單晶。鍺的熱導(dǎo)率較低，為64W/（m·K），用鍺制造的器件只能工作在90℃以下的環(huán)境，高于90℃時，鍺器件的漏電流明顯增大；鍺的熔點只有937℃，難以承受諸如摻雜、激活、退火等高溫工藝過程；同時，鍺的氧化物溶于水，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，無法制成MOS器件；更重要的是，鍺的機(jī)械性能較差，鍺單晶的直徑不宜很大，鍺晶片的加工與運輸也存在一定的安全問題。1952年，蒂爾和比勒（E.Buehler）用直拉法拉出硅單晶。隨后，德州儀器（TI）于1954年成功制造了第一支硅晶體管。由于硅具備禁帶寬度大（為1.106eV）、熱導(dǎo)率高（為145W/（m·K））、硅氧化物（SiO2）是性能最好的介電絕緣材料、硅是地球上最豐富的元素之一（約占地殼質(zhì)量的26%）等一系列優(yōu)勢，20世紀(jì)60年代以后，硅成為半導(dǎo)體功能材料的主流。1.5.2 第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵（GaAs）等為主以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、銻化銦（InSb）和硫化鎘（CdS）等Ⅲ-V族化合物材料為主，適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件以及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等領(lǐng)域。1.5.3 第三代半導(dǎo)體材料：以碳化硅（SiC）等為主主要指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）和氮化鋁（AIN）等為代表的寬禁帶（禁帶寬度大于2.2eV）半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、功率密度大（氮化鎵的功率密度是砷化鎵的10~30倍）、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力高等優(yōu)秀品質(zhì)，因而更適合制作高溫、高頻、抗輻射、大功率器件和半導(dǎo)體激光器等。目前，較為成熟的第三代半導(dǎo)體材料是碳化硅和氮化鎵，碳化硅比氧化鎵更成熟一些。1.5.4 新材料隨著新器件的開發(fā)，更多高k介質(zhì)（High-k Dielectric）材料（Mg、Ca、Sr、Ba、La、Hf等）、金屬柵材料（Al、Ni、鑭系金屬、稀土金屬等）、互連材料（Ti、Ta、W等）、存儲器材料（各種過渡金屬氧化物，如BaTiO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、NiO、MoO3、V2O5、WO3、ZnO等）、外延和襯底材料（應(yīng)變硅，F(xiàn)D-SOI等）、碳基材料（碳納米管、石墨烯等）的研究正在廣泛展開。例如，FinFET（Fin Field Effect Transistor，鰭式場效應(yīng)晶體）工藝將采用Ⅲ-V族材料來增加載流子的遷移率，在互連結(jié)構(gòu)中采用鈦、鈷或釘構(gòu)成連線及氮化鈦作為阻擋層材料。1.6 集成電路制造發(fā)展的里程碑廣義的集成電路制造主要包括設(shè)計、制造和封測三個方面。1.6.1 集成電路的設(shè)計集成電路最初的設(shè)計方法是全手工設(shè)計，如手工畫圖，人工刻制曝光用的多層掩模等。人工設(shè)計僅適用于小規(guī)模集成電路。20世紀(jì)70年代，第一代集成電路計算機(jī)輔助設(shè)計（Integrated Circuit Computer Aided Design，ICAD）系統(tǒng)問世。由于當(dāng)時的計算機(jī)存儲量不夠大，運算速度也不夠快，因此ICCAD工具只能簡單處理版圖級設(shè)計問題。20世紀(jì)70年代末，出現(xiàn)了仿真和自動布局布線工具，提高了集成電路的設(shè)計效率。1983年，工作站（Workstation）在市場上嶄露頭角，有力地支持了ICCAD技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代ICCAD系統(tǒng)，增加了邏輯級設(shè)計功能。20世紀(jì)90年代，ICCAD系統(tǒng)進(jìn)入第三代，將行為級設(shè)計以硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）的方式納入自動化設(shè)計的范疇。進(jìn)入21世紀(jì)后，集成電路設(shè)計向可制造設(shè)計（Design for Manufactory，DFM）方向發(fā)展，其重要技術(shù)方向有軟硬件協(xié)同設(shè)計、IP庫、低功耗設(shè)計、可靠性設(shè)計，以及系統(tǒng)芯片（System on Chip，SoC）和系統(tǒng)級封裝（System in Package，SiP）。1.6.2 集成電路的制造集成電路制造是一個在特定薄膜上制造特定圖形的過程。其中的氧化、外延、摻雜（擴(kuò)散、離子注入）、沉積（物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積）等工藝為薄膜制造工藝，光刻（曝光和刻蝕）工藝為圖形制作工藝。曝光和刻蝕是是集成電路完成圖形制作的最核心工藝，縮小加工尺寸首先要減小曝光光源的波長。20世紀(jì)70年代中期以前，曝光光源為汞燈，汞燈是一種多波長的光源，其波長范圍為400~700mm。1982年，曝光光源改進(jìn)為紫外光（UItraviolet，UV）g線（波長為436nm）和i線（波長為365nm）。1994年，曝光光源波長進(jìn)入深紫外光領(lǐng)域（DUV），主要為準(zhǔn)分子激光KrF（波長為248mm）和ArF（波長為193nm）。2003年12月，荷蘭ASML（Advanced Semiconductor Material Lithography）公司發(fā)布了全球首套商用浸沒式光刻（Immersion Lithography）設(shè)備，將純凈水充滿投影物鏡最后一個透鏡的下表面與硅片之間，使得曝光光源的有效波長縮短，將193mm光刻延伸到32mm CMOS技術(shù)節(jié)點。此外，利用雙曝光/成像（Double Exposure/Double Patteming）技術(shù)，將193nm浸沒式光刻技術(shù)擴(kuò)展到了10mm/7mm技術(shù)節(jié)點。經(jīng)過一定圖形曝光后的薄膜，還必須去除不需要的部分才能得到所希望的圖形，這就是刻蝕工藝。最初的刻蝕技術(shù)是濕法刻蝕，由于是各向同性腐蝕，所以對圖形尺寸的控制性較差。1980年以后，刻蝕技術(shù)進(jìn)入干法刻蝕的時代，其中包括等離子刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE），后者是當(dāng)前主流的刻蝕技術(shù)。當(dāng)所有的晶體管通過薄膜技術(shù)和光刻技術(shù)在硅片上制作完成時，還必須采用互連技術(shù)將上百萬乃至數(shù)十億個晶體管按照所設(shè)計的規(guī)則連接起來才能形成真正的電路。最初的互連材料是鋁，研究表明，0.25μm工藝（鋁導(dǎo)線，SiO2介質(zhì)）的情況下，由互連產(chǎn)生的延遲已經(jīng)超過門電路的延遲。1997年，IBM 宣布推出了采用銅（電導(dǎo)率為59.6×10's/m）互連技術(shù)的芯片，這就是著名的鑲嵌工藝。1.6.3 集成電路的封裝整機(jī)或系統(tǒng)是集成電路與最終消費者之間的界面，集成電路只有通過在整機(jī)或系統(tǒng)中的應(yīng)用才能體現(xiàn)其價值；封裝是集成電路芯片與整機(jī)或系統(tǒng)的界面，只有經(jīng)過封裝后的芯片才能裝入系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的效用。最初的集成電路封裝沿用了晶體管的TO（Transistor Outline）封裝形式。20世紀(jì)60年代中期，雙列直插式引腳封裝（Double In-Line Package，DIP）成為集成電路封裝的主流。20世紀(jì)80年代，表面貼裝技術(shù)（Surface Moumt Technology，SMT）得到長足發(fā)展，出現(xiàn)了多種封裝形式，如塑料有引線片式載體（Plastic Ieaded Chip Carrier，PLCC）封裝、塑料四面引線扁平封裝（Plastic Quad Flat Package，PQFP）等。20世紀(jì)80年代至90年代，集成電路封裝引腳開始由周邊型向面陣型發(fā)展，如針柵陣列（Pin Grid Array，PGA）封裝。自20世紀(jì)90年代的球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝開始，封裝的“插裝”概念被“貼裝”所顛覆，“管腳”被“焊球”所替代。20世紀(jì)末，芯片尺寸封裝（Chip Size Package，CSP）解決了芯片面積小而封裝面積大的矛盾，引發(fā)了封裝技術(shù)的革命。今后集成電路封裝將向系統(tǒng)級封裝（System in Package，SiP）的方向發(fā)展。3D封裝中最重要的技術(shù)是硅通孔（Through Silicon Vias，TSV），該技術(shù)基于IBM的Merlin Smith和Emanuel Stem于1964年的發(fā)明專利，2010年以后開始在集成電路封裝中得到應(yīng)用。集成電路制造技術(shù)中的另一個發(fā)展趨勢是硅片直徑不斷增大。以Intel生產(chǎn)線為例，1972年硅片直徑為3in，1992年為200mm，2002年Intel建立了第一條300mm硅片的生產(chǎn)線。綜上所述，集成電路制造技術(shù)發(fā)展的重要里程碑如圖所示。集成電路制造技術(shù)發(fā)展的重要里程碑二、集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律2.1 半導(dǎo)體產(chǎn)品制造技術(shù)約10年一代的技術(shù)進(jìn)步2.2 集成電路從研發(fā)到批量生產(chǎn)約需10年的案例典型2.3 摩爾定律的終結(jié)與軟件的創(chuàng)新 沿著摩爾預(yù)測的集成電路發(fā)展路徑，集成電路加工線寬逐漸減小，2015年最小線寬已經(jīng)達(dá)到7mm，進(jìn)入介觀物理學(xué)的范疇。繼續(xù)單純縮小溝道寬度將受到三方面的制約。2.3.1 物理制約介觀（Mesoscopic）尺度的材料，一方面，含有一定量粒子，無法僅僅用薛定諤方程求解；另一方面，其粒子數(shù)又沒有多到可以忽略統(tǒng)計漲落（Statistical Fluctuation）的程度。這就使得集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展遇到很多物理障礙，如費米釘扎（Fermi Pinning）、庫倫阻塞（Coulomb Blockade）、量子隧穿（Quantum Tumnelling）、雜質(zhì)漲落（Impurity Fluctuation）、自旋輸運（Spin Transport）等，需用介觀物理和基于量子化的處理方法來解決。2.3.2 功耗制約提高器件性能（以時鐘頻率為代表參數(shù)）與降低功耗之間的矛盾如圖所示。提高時鐘頻率與降低功耗的矛盾 隨著技術(shù)節(jié)點的推進(jìn)，器件的時鐘頻率以20%的幅度提高，但器件的功率密度也大幅度增加。如果將功率密度保持在40W/cm2，則最高時鐘頻率又無法提高，甚至采用14nm技術(shù)節(jié)點之后，其時鐘頻率反而有所下降。2.3.3 經(jīng)濟(jì)制約下圖表明，90nm 技術(shù)節(jié)點的每百萬門成本為0.0636美元，其后，65nm、40nm至28nm的成本一直呈下降趨勢；但是，在進(jìn)入20nm技術(shù)節(jié)點后，每百萬門的成本將不再按摩爾定律下降，反而有所上升。也就是說，今后在更高速度、更低功耗和更低成本這三者中，如果以成本作為主要指標(biāo)，則性能與功耗再難有大的改善；反之，芯片廠商和用戶若以性能和功耗為主要訴求，則必須付出相應(yīng)的代價，而不再享受摩爾定律帶來的成本降低的“福利”。但是，如果采用新材料和新器件模型，集成電路集成度是否還能繼續(xù)沿摩爾定律增長，還有待今后的實踐檢驗。2.3.4 軟件協(xié)同集成電路對生態(tài)體系依賴度增大，需要軟硬件協(xié)同發(fā)展。例如，CPU的競爭絕不僅是CPU芯片本身的競爭，而更多體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的競爭。如Intel的CPU與Microsoft的操作系統(tǒng)構(gòu)建了穩(wěn)固的Wintel產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，ARM公司也與Google公司在移動終端領(lǐng)域構(gòu)建了ARM-Android體系。信息產(chǎn)業(yè)最開始是硬件（集成電路）技術(shù)驅(qū)動，隨著集成電路加工技術(shù)的進(jìn)步，單一芯片的集成度越來越高，集成電路的工作速度越來越快，存儲器容量越來越大，承載在集成電路上的軟件就可以越來越豐富，軟件的功能也就越來越強(qiáng)大，應(yīng)用軟件的種類也就越來越多。Windows操作系統(tǒng)所占空間、Intel CPU主頻與同期DRAM典型產(chǎn)品存儲容量的正相關(guān)關(guān)系如圖所示。當(dāng)前，集成電路的容量和速度已經(jīng)能夠滿足幾乎任何軟件的需要，在這種情況下，信息產(chǎn)業(yè)由軟件驅(qū)動的趨勢開始顯現(xiàn)，即根據(jù)不同操作系統(tǒng)開發(fā)適用該軟件的硬件。移動通信是最好的例證。目前在市場中占主流的操作系統(tǒng)是安卓和iOS，所有的硬件解決方案要依據(jù)這兩個操作系統(tǒng)來開發(fā)，可以使用不同廠家的但可以運行上述系統(tǒng)的嵌入式CPU、接收與發(fā)射芯片、人機(jī)界面芯片來制造不同用途、不同功能、不同型號的手機(jī)。這就是軟件定義系統(tǒng)，系統(tǒng)決定集成電路的設(shè)計與生產(chǎn)，如圖所示。TI首席科學(xué)家Gene Frantz認(rèn)為∶大部分創(chuàng)新是在基于硬件基礎(chǔ)上的軟件創(chuàng)新。硬件將成為創(chuàng)新設(shè)計人員思路拓展平臺的一部分。

來源：車規(guī)半導(dǎo)體硬件

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