1.1　集成电路制造技术发展历程

集成电路技术自1958年诞生以来，已有60多年的发展历程。在当今信息化社会中，集成电路技术无疑是最重要的基础支撑。集成电路技术是如何由开始的不成熟，一步一步发展为今天高科技皇冠上的技术明珠？本节将从材料、设备、工艺器件、产业应用等方面，一步步讲述60多年来集成电路的发展。

集成电路技术的发展从半导体材料的发现和研究开始，正是这些发现和研究打开了信息社会的大门。

1．半导体材料

1833年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在测试硫化银（Ag2S）特性时，发现了硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象（表现出负温度系数的特性），这是人类发现的半导体的第一个特征。

1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔（Edmond Becquerel）发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，简称光伏效应。这是人类发现的半导体的第二个特征。

1873年，英国的威洛比·史密斯（Willoughby Smith）发现硒（Se）晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是人类发现的半导体的第三个特征。

1874年，德国物理学家费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun）观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关：在某些硫化物两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电。这就是半导体的整流效应，这是人类发现的半导体的第四个特征。同年，出生在德国的英国物理学家亚瑟·舒斯特（Arthur Schuster）又发现了铜（Cu）与氧化铜（CuO）的整流效应。

虽然半导体的这4个特征在1880年以前就先后被科学家发现，但半导体这个名词大概到了1911年才被科尼斯伯格（J. Konigsberger）和维斯（I. Weiss）首次使用。后来，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论才在众多科学家的努力下逐步完善。

1947年，美国贝尔实验室全面总结了半导体材料的上述4个特征。在1880—1947年这长达67年的时间里，由于半导体材料难以被提纯到理想的程度，因此半导体材料研究和应用进程非常缓慢。此后，四价元素锗（Ge）和硅（Si）成为科学家最关注并大力研究的半导体材料，而在肖克莱（W. Shockley）发明锗晶体管的数年后，人们发现硅（Si）更加适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料，并一直延续至今。这也是美国加利福尼亚州北部成为硅工业中心后，被称为“硅谷”的原因。

2．从电子管到晶体管

1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了世界上第一个电子管，它是一个真空二极管。

1906年，美国工程师李·德·福雷斯特（Lee de Forest）在弗莱明真空二极管的基础上多加入了一个栅极，发明了另一种电子管。它是一个真空三极管，使得电子管在检波和整流功能之外，还具有了放大和振荡功能。

1947 年，美国贝尔实验室的巴丁（J. Bardeen）、布拉顿（W. Brattain）、肖克莱（W. Shockley）三人发明了点触型晶体管，这是一个NPN锗（Ge）晶体管。他们三人因此项发明获得了1956年诺贝尔物理学奖。

1950年，在蒂尔（G. K. Teal）和利特尔（J. B. Little）研究成功生长大单晶Ge的工艺后，威廉·肖克利（W. Shockley）于1950年4月制成第一个双极结型晶体管——PN结型晶体管。现在的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。

1952年，实用的结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）被制造出来。JFET是一种用电场效应来控制电流的晶体管。到了1960年，有人提出用二氧化硅（SiO2）改善双极性晶体管的性能，就此金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）场效应晶体管诞生。艾塔拉（M. Atalla）也被认为是MOS场效应晶体管（MOSFET）的发明人之一。

晶体管的发明是微电子技术发展历程中的一个里程碑。晶体管的发明使人类步入了飞速发展的电子信息时代。到目前为止，它的应用已长达70多年。

3．集成电路步入殿堂

1958年，美国德州仪器（TI）的杰克·基尔比（Jack Kilby）与美国仙童半导体（Fairchild Semiconducotor）的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）间隔数月分别发明了集成电路，成为世界微电子学发展的开端。诺伊斯是在基尔比发明的基础上，发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。基尔比因为发明集成电路（见图 1.1） 于 2000 年获得了诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体（1957 年成立）和英特尔（Intel）（1968 年成立）的创办人之一。他是伟大的科学家，是集成电路发展过程中的重要人物，于 1990 年去世，未能在2000年与基尔比分享当年的诺贝尔物理学奖。但是，他们都被誉为“集成电路之父”。

图1.1　杰克·基尔比发明的第一块集成电路

1962年，美国无线电公司（Radio Corporation of America，RCA）的史蒂文·霍夫施泰因（Steven Hofstein）、弗雷德里克·海曼（Frederic Heiman）研制出了可批量生产的MOSFET，并实验性地将16个MOSFET集成到了一个芯片上，这是全球第一个真正意义上的MOS集成电路。

1963年，仙童半导体的弗兰克·万拉斯（Frank M. Wanlass）和萨支唐（C. T. Sah）首次提出了CMOS电路技术。他们把NMOS和PMOS连接成互补结构：两种极性的MOSFET一关一开，几乎没有静态电流，适合逻辑电路。1963年6月，万拉斯为CMOS申请了专利，但是几天之后，他就离开了仙童半导体。首款CMOS电路芯片是由RCA研制。CMOS电路技术为大规模集成电路的发展奠定了坚实基础。

1964年，Intel创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律（Moore’s Law）。该定律预测了集成电路技术的发展趋势：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。后来50多年集成电路技术的发展证明了摩尔定律基本上还是准确的。

1966年，RCA研制出CMOS集成电路和第一块50门的门阵列集成电路。

1967年，美国应用材料（Applied Materials，AMAT）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司之一。

1967年，贝尔实验室的江大原（Dawon Kahng）和施敏（Simon Sze）博士共同发明了非挥发存储器。这是一种浮栅MOSFET，是可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory，简称闪存、Flash）的基础。

1968年，IBM的罗伯特·登纳德（Robert H. Dennard）发明了单晶体管动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。

4．商业化应用，主角登场

1971年，Intel推出全球第一款微处理器芯片——Intel 4004，如图1.2所示。它是一款4位的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）芯片，采用MOS工艺制造，集成了2250个晶体管。这是集成电路技术发展过程中的一个里程碑。

图1.2　Intel 4004 CPU芯片的显微照片

1976年，16kbit DRAM和4kbit静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）问世。

1978年，Intel发布了新款16位微处理器——Intel 8086，开创了x86架构计算机时代。x86架构既是一种不断扩充和完善的CPU指令集，也是一种CPU芯片内部架构，还是一套个人计算机（Personal Computer，PC）的行业标准。

1980年，日本东芝（Toshiba）的舛岡富士雄（Fujio Muoka）发明了NOR闪速存储器（NOR Flash Memory），简称NOR闪存（NOR Flash）。1987年，他又发明了NAND闪速存储器（NAND Flash Memory），简称NAND闪存（NAND Flash）。

1981年，IBM推出了全球第一台PC。这台PC采用了Intel 8088，主频为4.77MHz，操作系统采用了微软（Microsoft）公司的MS-DOS。IBM PC的研制项目主管是唐·埃斯特利奇（Don Estridge），他被誉为“IBM PC之父”。

从IBM PC开始，PC真正走进了人们的工作和生活，它标志着计算机应用普及时代的开始，也标志着PC消费驱动集成电路技术创新和产业发展时代的开启。也是在1981年，256kbit DRAM和64kbit CMOS SRAM问世。

1985年，微软推出了Windows操作系统。

1989年，Intel推出了Intel 80486微处理器。1Mbit DRAM进入市场。

1992年，64Mbit DRAM正式问世。

1993年，Intel推出奔腾CPU芯片，标志着计算机的“奔腾”时代到来。

1997年，IBM开发出芯片铜互连技术。

1999年，胡正明教授成功开发出鳍式场效晶体管（FinFET）技术。他被誉为3D晶体管之父。当晶体管的尺寸小于25nm时，传统的平面晶体管尺寸已经无法缩小，FinFET的出现将晶体管立体化，晶体管密度才能进一步加大，让摩尔定律在今天延续传奇。

2000年，Intel开始推出奔腾Ⅳ系列CPU。

2006年，Intel酷睿CPU时代来临，多核心CPU步入发展的快车道。

2007年，苹果（Apple）推出iPhone手机，树立了智能手机的样板。从此之后，智能手机都以平板+触屏的面貌出现。它促进了移动智能终端（包括智能电话、平板电脑等）的普及，对移动互联网产业发展起到重要的促进作用。之后，移动互联网逐步替代桌面互联网，成为驱动集成电路产业发展的主要力量。

5．虎跃龙腾，高潮迭起

1991年，ARM于英国剑桥成立，这是移动互联网时代的伟大公司。

1993年，IBM推出了全球第一款触屏手机——IBM Simon，它是一款单色的笔触式触屏智能手机，被公认为全球首款触屏智能手机。

1999年，摩托罗拉（Motorola）推出了智能手机A6188。它是一部触屏手机，并且是第一部可中文手写识别输入的智能手机。

2003年，安迪·鲁宾（Andy Rubin）等人创建了安卓（Android）公司，并组建了Android团队。

2005年，Intel放弃了手机业务，后来发现自己丢掉了一个移动互联网的时代。

2005年，联发科（MTK）抓住了手机业务的机会，赶上了移动互联网时代的快车。

2007年11月，谷歌（Google）向外界展示了名为Android的操作系统。同时，谷歌宣布建立一个全球性的手机生态联盟，该联盟由34家集成电路制造商、手机制造商、软件开发商、电信运营商共同组成。谷歌还与84家硬件厂商、软件厂商及电信营运商一起组成了开放的手持设备联盟，来共同研发和改良Android系统。谷歌的开源操作系统Android与苹果的封闭操作系统iOS形成了移动互联网时代的操作系统双雄——苹果系和安卓系。

2007年至今，移动互联网推动集成电路技术飞速发展。在这期间，新技术发明和创新层出不穷，最引人瞩目的是摩尔定律的延续，工艺节点从45nm一路发展到3nm（见图1.3），而最让世人惊叹的光刻机从深紫外（Deep Ultraviolet，DUV）走向了极紫外（Extreme Ultraviolet，EUV）。

未来已来，AI预训练大模型、具身智能、AI+医疗/制造/驾驶/教育等应用的快速发展，显著推动了半导体行业的市场需求与技术迭代。英伟达、高通、华为、Intel、三星、台积电、阿斯麦（ASML）等公司仍在不断续写着半导体行业的传奇，新技术、新发明也正引领这个时代走向未来。

图1.3　集成电路工艺节点的发展