楊磊

編者按：從19世紀法拉第首次發(fā)現(xiàn)半導體現(xiàn)象至今，已過近二百年。在這段時間里，生產(chǎn)技術(shù)由工業(yè)革命步入信息革命，芯片的出現(xiàn)讓人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，然而大家對它的發(fā)展歷史、制造工藝卻知之甚少。因此，從本期開始，我們將分三期來探尋芯片的奧秘：第一期談有關(guān)半導體技術(shù)的發(fā)展歷史;第二期談芯片的制造工藝;第三期討論當今世界芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。

今天，生活中各類電子設(shè)備無處不在，大到冰箱、彩電，小到智能鎖、IC卡，我們時時刻刻都在享受信息科技帶來的便捷。眾所周知，電子設(shè)備的核心部件是芯片，芯片是電子器件的心臟。芯片是什么？芯片是怎么被發(fā)明的？它的工作原理是什么？它是怎樣被制造出來的？今天芯片技術(shù)發(fā)展到什么程度？今后會走向哪里？下面，讓我們來開啟芯片的探秘之旅吧！

● 什么是芯片

無論在新聞里還是在網(wǎng)站上，一提到華為，談論的內(nèi)容就經(jīng)常圍繞“芯片”“集成電路”和“微處理器”這幾個詞，這三個詞究竟有何區(qū)別？我們在正式介紹芯片前先做個簡單區(qū)分。

芯片（Chip）在電子學范疇內(nèi)是指將電路小型化的一種方式，具體講就是采用半導體制作工藝，在一個較小的半導體晶圓或介質(zhì)基片上制作電路所需的晶體管、電阻、電容和電感等器件，并按照多層布線或隧道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路，繼而封裝在管殼里，形成一個獨立實體，我們稱這個實體為“芯片”，其中電子電路被稱為集成電路（Integrated Circuit，縮寫為IC）?？梢哉f，芯片既是集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝和測試后的結(jié)果，通常它是一個可以即插即用的獨立的整體。

微處理器（Microprocessor），簡單地說，芯片內(nèi)的集成電路除具備存儲能力外，還能進行運算，能運行驅(qū)動電子設(shè)備的電子信號，此時的芯片就具備了處理能力，我們稱之為微處理器。通常，構(gòu)成微處理器的芯片上刻滿了圖形，每個圖形里載有成千的電子開關(guān)，人們通過編程，把指令以數(shù)字的形式發(fā)送給微處理器，微處理器對指示進行反饋，并向硬件設(shè)備發(fā)出命令。微處理器是一種數(shù)字芯片，是眾多芯片中的一種。

按功能的不同，芯片可分為處理器芯片、記憶和存儲芯片、特定功能芯片三類。處理器芯片也就是常說的CPU，它是一個芯片設(shè)備的心臟，承擔最重要的數(shù)據(jù)計算和處理功能，常見于電腦、手機、平板、電視、冰箱等電子產(chǎn)品中;記憶和存儲芯片主要負責數(shù)據(jù)的保存和管理，固態(tài)硬盤、手機的存儲等都裝有這一類芯片;特定功能的芯片是為了某些功能而開發(fā)的芯片，如通信芯片、支持上網(wǎng)的Wi-Fi芯片、用于連接藍牙的芯片、電源管理芯片等。

● 芯片技術(shù)的發(fā)展歷程

從1833年半導體材料的發(fā)現(xiàn)到1958年世界上第一塊半導體芯片的誕生，經(jīng)歷了百年多的時間，我們不禁好奇，科學家是循著怎樣的研究思路發(fā)明出芯片的？他們研發(fā)出了哪些制造工藝？

1.半導體材料和半導體器件的前世今生

若以電阻率衡量物體的導電能力，自然界物質(zhì)可分為三類：第一類是電阻率范圍在1×10-6～1×10-3Ω·cm的導體（Conductor）;第二類是電阻率范圍在1×108～1×1020Ω·cm的絕緣體（Insulator）;第三類是電阻率范圍介于1×10-3～1×108Ω·cm的半導體（Semi-conductor）。

按照構(gòu)成半導體物質(zhì)的元素來分類，半導體可分為元素半導體（由一種元素構(gòu)成）、化合物半導體（由多種元素構(gòu)成）。其中，元素半導體有硅（Si）和鍺（Ge）等第IV主族元素半導體;化合物半導體中常用的有砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等半導體。人們依據(jù)半導體材料的不同特性，制造出功能各異的電子器件，如電阻、電容、電感和具有整流作用的二極管以及具有開關(guān)和放大作用的三極管等，可以說今天的半導體材料的身影在電子領(lǐng)域無處不在。

（1）半導體

①半導體材料的歷史。

世界上第一個發(fā)現(xiàn)半導體的人是英國科學家邁克爾·法拉第。1833年，法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻會隨著溫度上升而降低，這是人類首次發(fā)現(xiàn)半導體現(xiàn)象。1839年，法國科學家亞歷山大·貝克雷爾發(fā)現(xiàn)了光伏現(xiàn)象，他將光照射在一個由半導體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)上，這個結(jié)在光照下會產(chǎn)生電壓。1873年，英國科學家史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電阻會減弱，即光電導效應。1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物半導體的導電性能和所加電場的方向有關(guān)，說明半導體導電具有方向性，即整流效應。同年，氧化銅的整流效應也被發(fā)現(xiàn)。1880年，美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)半導體的霍爾效應，即一種電磁感應效應。

人們通過實驗觀察出了半導體的四個特性——電阻率的負溫度特性、光照導電效應、光伏效應及整流效應，但到1911年才將這一類物質(zhì)命名為“半導體”。隨著20世紀初量子力學理論的建立，半導體的理論研究才取得突破。1931年，英國人威爾遜將量子力學應用到晶體中，提出了能帶理論，從理論上說明金屬、半導體和絕緣體在導電性能方面的差異。1932年，他又提出了雜質(zhì)能級和缺陷能級的概念，建立摻雜半導體的導電機理。1939年蘇聯(lián)、英國和德國的科學家提出了勢壘理論，解釋金屬-半導體接觸的整流效應。至此，半導體的基礎(chǔ)理論形成。

②半導體材料結(jié)構(gòu)及特性。

理論研究表明，重要的半導體材料，如硅、鍺等都來自第IV主族元素，它們每個原子的最外層有四個價電子。相鄰的原子之間，一個原子最外層的一個價電子與另一個原子最外層的一個價電子組成一個共有電子對，被稱為共價鍵。共價鍵在兩個原子之間形成較大的電子云密度，能將兩個原子結(jié)合在一起，這樣每個原子與周圍四個鄰近的原子就組成一個正四面體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于硅原子內(nèi)部的共價鍵結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，最外層電子被束縛在電子軌道上，當原子受到能量激發(fā)時，最外層電子就容易脫離物質(zhì)結(jié)構(gòu)束縛而形成自由電子，其原位置就會空余出來，我們稱之為“空穴”，空穴和自由電子的數(shù)量是相等的。當一個電子形成自由電子脫離它的空穴后，空穴就會吸引臨近的其他電子來填補，在這個過程中，電子流動起來，形成電流。為了讓電流更加穩(wěn)定和可控，半導體材料會被人為摻入雜質(zhì)，因而半導體有本征半導體和摻雜半導體之分。本征半導體是不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導體;摻雜半導體是在某種元素中摻雜而形成的半導體。根據(jù)摻雜物的不同，摻雜半導體分為N型半導體和P型半導體。

N型半導體，也稱電子型半導體，通過摻雜讓半導體自由電子濃度增加。例如，加入一個五價元素，如磷（P）、砷（As）和銻（Sb），雜質(zhì)原子最外電子層五個價電子中有四個與周圍硅原子形成共價鍵，多余的一個電子就很容易被激發(fā)形成電子載流體，使雜質(zhì)原子變成正離子。

P型半導體，也稱空穴型半導體，通過摻雜讓半導體空穴濃度增加，如加入一個三價元素硼（B）原子，硼原子與周圍四個硅原子形成的共價建中缺少一個電子，因而存在一個空穴，自由電子很容易到硼原子能級上填補這個空穴，使雜質(zhì)原子成為負離子，這樣就形成空穴載流子。

PN結(jié)，P型半導體與N型半導體連接在一起，其接觸區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子會向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，這種電荷分離過程將產(chǎn)生靜電力，使少數(shù)載流子停止擴散，造成正負電荷在PN結(jié)兩側(cè)積累，形成電偶極層，電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當載流子密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)之間形成一個過渡區(qū)域（或稱為耗盡區(qū)），耗盡區(qū)兩端的電位差大約為0.6伏。當對PN結(jié)施加一定強度電場時，P區(qū)中的空穴會突破耗盡區(qū)向N區(qū)擴散，與N區(qū)中的電子復合，同時N區(qū)中的電子突破耗盡區(qū)向P區(qū)擴散，與P區(qū)的空穴復合，這樣電偶極層中自由載流子數(shù)減少，形成了高阻層，所以電偶極層也稱為阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結(jié)的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍，如圖2所示。PN結(jié)的這種特性被稱為單向?qū)щ娦?，即整流性?/p>

（2）晶體管

①晶體管的發(fā)展歷史。

芯片的出現(xiàn)并不是偶然的，它的前身就是我們今天在高級音響中仍能見到的真空管。真空管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流，利用電場對真空中電子流的作用以獲得信號放大或振蕩效果的電子器件。真空管的發(fā)明使收音機的電路和接收性能發(fā)生了革命性的進步，但它也有很多缺點，如體積大、功耗大、壽命短、效率低等，這些缺點制約了電子技術(shù)的進步，因此電子工業(yè)急需真空管的替代品——半導體器件，這個重任很快就被貝爾實驗室的威廉·肖克利研究小組實現(xiàn)了。1947年，肖克利發(fā)明了晶體管，從而獲得諾貝爾獎，并在20世紀末被《洛杉磯時報》評為20世紀經(jīng)濟領(lǐng)域最有影響力人物之一。

從20世紀30年代開始，貝爾實驗室廣招世界頂尖人才，致力于世界科技發(fā)展前沿的研究工作。貝爾實驗室研究發(fā)現(xiàn)摻雜半導體的整流性比真空管好，它可以讓電子或空穴一種電流通過，不像導體，無論是電子電流還是空穴電流都能通過。由于摻雜半導體是晶體摻雜，晶體本身具備良好的導熱性和穩(wěn)定性，所以晶體管取代真空管成為必然趨勢。此時的晶體管只有整流二極管沒有放大器，它仍無法和真空管競爭，于是，貝爾實驗室的肖克利研究小組基于肖克利的場效應理論，在1947年12月用鍺和硅晶體研制出世界上第一支晶體三極管，即點接觸晶體三極管（Point Contact Transistor）。

肖克利知道點接觸晶體三極管效率不高，他想利用擴散技術(shù)做出更好的晶體管，經(jīng)過一個月的獨自秘密鉆研后，他提出了更為先進可行的結(jié)型晶體管（Junction Transistor）構(gòu)想。1950年，肖克利的研究小組制成了第一支結(jié)型晶體管，結(jié)型晶體管的問世使后來的晶體管和芯片的規(guī)模生產(chǎn)成為可能。1950年11月，肖克利發(fā)表了論述半導體器件原理的經(jīng)典著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結(jié)型晶體管原理，因而他被譽為“晶體管之父”。

②晶體管的功能作用。

晶體管（Transistor）是一種固體半導體器件（包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，有時也特指雙極型器件），它具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體三極管的工作原理很簡單，只要在三極中的發(fā)射極上加上直流電壓，再在基極上注入要被放大的電流信號，集電極就會產(chǎn)生被線性放大了的信號，從本質(zhì)上講就是利用電子在晶體內(nèi)的流動性來實現(xiàn)控制、放大并交換信號。

2.芯片概念的形成

歷史經(jīng)驗表明，人類的夢想是科技進步的第一推動力。當固態(tài)電子器件——晶體管被發(fā)明后，芯片的出現(xiàn)就變得水到渠成。常用電路一般由晶體三極管、晶體二極管、電阻、電容和電感五種器件組成。這些電子器件都有其特殊功能：電阻，它的功能就像是一個水龍頭，能限制電子的流動，這就讓電路設(shè)計人員能在電路中的任何一點精準地控制電子的流動，如電視的音量控制;電容就像一塊海綿，它可以吸收、儲存和釋放電能，如照相機中的電容在充電后，可以讓閃光燈在瞬間釋放出巨大的光能;二極管像是一個水壩，可以阻止電流在某些條件下的流動;三極管就像是一個開關(guān)，能夠控制數(shù)字電路中電路的開與關(guān)，同時它也是一個放大器，能把特定的信號放大到預想的程度;電路設(shè)計，就是將這些電子器件以某種方式連接起來，實現(xiàn)某種或多種功能。

在真空管時代，電路設(shè)計仍有很多技術(shù)上的限制，主要是功率、發(fā)熱和尺寸上的限制。當晶體三極管出現(xiàn)后，這些問題就迎刃而解了。此時，電子器件在電路中的數(shù)量不再是問題，真正的問題是怎樣把這些電子器件有效地連接起來。在芯片出現(xiàn)之前，連接這些分立器件需要人工焊接作業(yè)，焊接的好壞往往是決定器件質(zhì)量好壞的重要因素。此外，還存在制作繁雜、連線長度過長導致電子信號傳播速度受限等問題，這些影響電路可靠性的因素就成了人們亟待解決的問題。

20世紀50年代，隨著第一臺計算機的出現(xiàn)，人們認識到數(shù)字電路的重要性。因為數(shù)字電路能將極為復雜的運算和操作簡化為0和1的邏輯運算，但數(shù)字電路對運行速度卻有極高要求，所以提高信號傳播速度、減少連線長度的辦法就只有將電路小型化，全世界的電子工程師都在思考如何把大量電子器件集成在一小塊電路上。

1952年5月7日，英國皇家雷達研究所的杰夫·達默，在美國華盛頓的一次會議上，第一次提出了芯片的概念，即把一個電路所需的晶體管和其他器件制作在一塊半導體上。這次講話預示著芯片時代即將到來。

（1）芯片工藝的發(fā)展

貝爾實驗室發(fā)明晶體管后，就開始大力推廣晶體管的使用，晶體管的應用促進了早期半導體技術(shù)的發(fā)展，可以說貝爾實驗室奠定了半導體工藝發(fā)展的基礎(chǔ)。

①半導體晶圓的制造技術(shù)。

在20世紀50年代早期，貝爾實驗室就開始研制超純鍺和硅，晶體純度要求雜質(zhì)濃度小于1/1010。起初，工程師利用液態(tài)鍺制造出鍺晶體，但卻發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)無法用于硅晶體的制造，因為硅的熔點為1415℃，遠高于鍺的熔點937℃。在1415℃的高溫下，幾乎所有的物質(zhì)都會與熔化的硅進行化學反應。于是，工程師研發(fā)出提煉硅晶體的技術(shù)，他們先把硅制成圓柱狀，然后讓它通過一個能產(chǎn)生極高溫的線圈，這一小段硅被高溫熔化后，再用氣體成功去除雜質(zhì)。隨著硅晶體提純技術(shù)的實現(xiàn)，從60年代起，硅逐漸取代鍺成為半導體制造的主要材料。選擇硅作為半導體器件材料，主要從硅器件工藝不斷取得突破和經(jīng)濟成本兩個方面考慮。現(xiàn)實中硅元素以二氧化硅及硅酸鹽形式存在，它的含量占地球的25%，僅次于氧，儲量豐富，適合大規(guī)模生產(chǎn)應用。

②雜質(zhì)擴散工藝。

在研制晶體提純技術(shù)的同時，貝爾實驗室也在進行晶體管制造工藝的改良研究?？茖W家發(fā)現(xiàn)在500℃的高溫下，銅很容易擴散到鍺晶體的表面之下，于是研發(fā)出一種通過控制時間和溫度來精確控制雜質(zhì)進入鍺晶體的深度與數(shù)量的方法，從而形成PN結(jié)的雜質(zhì)擴散工藝?？茖W家在鍺晶體中應用擴散工藝取得了一定效果，但在硅晶體中卻遇到了麻煩：一是加熱后硅晶體的壽命會變短;二是加熱后硅晶體表面會開裂?？茖W家很快找出了答案，即硅晶體的壽命問題源于金屬污染，在硅晶體表面覆蓋硅氧化物就能防止晶體表面開裂。1955年3月，貝爾實驗室將擴散技術(shù)應用在硅晶片上，用擴散技術(shù)將兩種物質(zhì)注入到硅片上，形成了NPN結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上制造出了硅基晶體三極管。

③光刻技術(shù)。

同樣在1955年，貝爾實驗室的工程師們創(chuàng)造性地把制造印刷電路板的光刻技術(shù)應用到硅晶片上。光刻過程簡單地說就是先把一層光敏材料均勻地涂抹到硅片表面，然后將想要的形狀曝光到光敏材料上，再進行化學沖洗，去掉不需要被擋住的地方，然后再把雜質(zhì)擴散到硅片想要摻雜的區(qū)域，準確控制摻雜精度。今天，光刻技術(shù)和設(shè)備是整個芯片制造工藝最關(guān)鍵的部分，它決定芯片的制程（即溝道長度）參數(shù)的高低。20世紀50年代芯片制程只有十幾微米，如今這個參數(shù)已經(jīng)縮微到5納米。

④二氧化硅薄膜的制備。

1955年，貝爾實驗室的科學家在解決高溫摻雜過程中硅表面易開裂問題時，不小心將氫氣加入到了擴散爐中，氫氣在擴散爐中產(chǎn)生了水蒸氣，結(jié)果在硅晶片表面形成一層二氧化硅。沒想到這層二氧化硅竟然能很好地阻止雜質(zhì)在硅表面擴散。隨后科學家們對不同的雜質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)鍺能穿過二氧化硅，而溴和磷不能穿過二氧化硅。他們用氫氟酸在二氧化硅上腐蝕出一些小區(qū)域，然后在這些小區(qū)域內(nèi)進行雜質(zhì)擴散，通過這種辦法雜質(zhì)就被擴散到了硅晶片上的指定區(qū)域內(nèi)。二氧化硅不但可以用作半導體PN結(jié)之間的絕緣物質(zhì)，還可以保護硅晶體不被金屬污染。因其絕佳的絕緣性，二氧化硅很快就成為晶體管生產(chǎn)和平面處理技術(shù)中最重要的介質(zhì)材料。

（2）芯片的誕生

當晶體提純、半導體摻雜、光刻工藝和薄膜制備工藝被攻克后，人們發(fā)現(xiàn)可以控制晶體中的雜質(zhì)和導線中的電子流動了，接下來的事情就是利用這些技術(shù)把制造電子設(shè)備所需的電子器件制作在一塊板子上，再用金屬連線把這些電子器件連成一個電路。1958年，美國德州儀器公司的基爾比用鍺晶片研制出世界上第一塊芯片，但他的設(shè)計并不適用于生產(chǎn)。仙童半導體公司的諾伊斯則在思考如何制造出硅基芯片，因為硅的導熱性和其他性能遠勝于鍺。

1958年，仙童半導體公司的霍尼發(fā)明了平面工藝，該工藝是在硅半導體平面上通過氧化、光刻、擴散、離子注入等一系列流程，制作出硅基晶體管器件，這一工藝可以解決晶體管的絕緣和連線問題。1959年年初，諾伊斯先在硅片上覆蓋一層二氧化硅薄膜作為絕緣層，然后在絕緣層上打洞，用鋁薄膜把平面工藝制出的晶體管器件連接起來，這樣在一塊硅片上就做出了一個具有完整邏輯功能的電路。他的發(fā)明成果為半導體芯片工藝和量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。時至今日，所有的半導體芯片都在使用這一生產(chǎn)工藝。

芯片的出現(xiàn)讓世界發(fā)生了巨大變化。與分立元件電路相比，芯片通過特殊工藝，將電路中的晶體管、電阻、電容、電感元件及布線制作在一小塊半導體晶片上，然后封裝在小盒子里，成為具有電路功能的微型結(jié)構(gòu)。它具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高的特點。今天，芯片制造早已成為一個巨型產(chǎn)業(yè)，從衛(wèi)星到微波爐，從火箭到手機，芯片無處不在，它徹底改變了我們的生活方式，被人們視為繼輪子之后最重要發(fā)明。

本期回顧了從半導體材料被發(fā)現(xiàn)到第一個芯片誕生這段時期的半導體技術(shù)發(fā)展的歷程，盡管這段時期技術(shù)還比較粗糙，不夠成熟，但半導體技術(shù)理論卻已初見成型。下一期我們將沿著芯片集成化的發(fā)展脈絡繼續(xù)探究現(xiàn)代制芯片制造流程和技術(shù)，請大家不要錯過，下期見。