1.1.2 集成电路

通过在单片半导体衬底上集成制造大量的晶体管、二极管、电阻器、电容器等元器件，可以实现完整功能的复杂电路，即集成电路。与分立元件的形成电路相比，集成电路能够极大地降低成本、提升可靠性，因此，其获得了显著的应用优势，已经成为电子信息产业的基础。

将几个元器件集成为一个特定功能器件的方法最早可以追溯到1920年的一种真空管，但是其设计初衷并不是电路的集成化，而是由于当时德国的无线接收器是按照真空管的数量来收取税费的，集成在一个真空管中可以实现“避税”。最早的集成电路的概念是在1949年提出的，德国工程师雅各比（Werner Jacobi）申请了一项半导体放大器专利［5］，采用电路集成的理念设计了一种包含5个晶体管的三级放大器。雅各比在专利中提出该放大器可以用于制造小型、低价的助听器，但是这个设计并没有很快得到应用。

集成电路早期概念的另一位提出者是英国的雷达科学家杜莫（Geoffrey Dum mer）。自1952年起，杜莫公开提出宣传集成电路的想法，并于1956年尝试制造，但是没有成功［6］。此后，达林顿（Sidney Darlington）和樽井康夫（Yasuro Tarui）又进一步提出了类似的芯片设计，只是此时的集成电路还是非电气隔离的［7］。

1958年7月，美国得克萨斯州达拉斯市德州仪器公司的基尔比（Jack Kilby）在单片Ge半导体衬底上制造了第一块集成电路。该集成电路包括一个Ge晶体管、电阻等，并通过导线连接在一起。2000年，基尔比因发明集成电路而获得诺贝尔物理学奖［8］。

集成电路大规模制造的实现还要归功于早期Si工艺技术的发展。美国仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor International, Inc.）的赫尔尼（Jean Hoerni）在1959年发明了表面钝化工艺，通过热氧化过程形成稳定的Si表面，为后续集成电路平面制造工艺奠定了基础［9］。为了让每个晶体管互不影响地工作，贝尔实验室的阿特拉发明了隔离技术［10］，有效地分离了二极管和晶体管，并在1959年由美国史普拉格电子公司（Sprague Electric Company）的列文虎克（Kurt Lehovec）将该技术应用到单个晶圆上的晶体管隔离［11］。同年，仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）申请了基于Si平面工艺的集成电路专利［12］。他在Si表面利用Al金属互连不同的晶体管，同时利用氧化层将Si与金属隔离，这种器件制备方法成为集成电路制造的主流技术。

1959年，贝尔实验室的阿特拉和康发明的MOS场效应晶体管具有易于微缩、低功耗等优点，使高密度集成电路的制造成为可能［4］，几乎所有现代芯片都是基于MOS场效应晶体管的集成电路。集成电路与分立电路相比，在成本和性能两个方面具有重要优势。一方面，因为芯片及其所有元器件都可以通过图形化在相同条件下批量制备，大大降低了单个元器件的成本，且具有极高的工艺稳定性。另一方面，集成电路具备体积小、开关速度快、功耗低的优点。但是，相对来讲，集成电路的设计和制造对设备要求很高，因此研发和生产的成本很高，这也决定了只有在预期产量很高时，集成电路才具有商业化的可行性。