微電子行業(yè)概述

1信息時(shí)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(guó)人，1902年2月10日出生在中國(guó)南方美麗的城市廈門(mén)，當(dāng)時(shí)他父親受聘在中國(guó)任教。布拉頓是實(shí)驗(yàn)專家，1929年獲得明尼蘇達(dá)大學(xué)的博士學(xué)位后，進(jìn)入貝爾研究所從事真空管研究工作。

溫文儒雅的美國(guó)人約翰·巴丁是一個(gè)大學(xué)教授的兒子，1908年在美國(guó)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(xué)獲得兩個(gè)學(xué)位。后來(lái)又轉(zhuǎn)入普林斯頓大學(xué)攻讀固體物理，1936年獲得博士學(xué)位。1945年來(lái)到貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。

美國(guó)人威廉·肖克利，1910年2月13日生于倫敦，曾在美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)量子物理，1936年得到該校博士學(xué)位后，進(jìn)入久負(fù)盛名的貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。4

開(kāi)始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時(shí)，采用的是肖克利提出的場(chǎng)效應(yīng)概念。場(chǎng)效應(yīng)設(shè)想是人們提出的第一個(gè)固體放大器的具體方案。根據(jù)這一方案，他們仿照真空三極管的原理，試圖用外電場(chǎng)控制半導(dǎo)體內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)。但是事與愿違，實(shí)驗(yàn)屢屢失敗。人們得到的效應(yīng)比預(yù)期的要小得多。經(jīng)過(guò)多少個(gè)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(rèn)為表面現(xiàn)象可以引起信號(hào)放大效應(yīng)。表面態(tài)概念的引入，使人們對(duì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。但是也沒(méi)有得到非常理想的確結(jié)果.

1945年秋天，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以肖克萊為首的半導(dǎo)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(dǎo)體晶片的表面上，當(dāng)兩根觸絲十分靠近時(shí)，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(shí)刻，布拉頓按捺住內(nèi)心的激動(dòng)，仍然一絲不茍地在實(shí)驗(yàn)筆記中寫(xiě)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(tīng)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(rèn)同。

巴丁和布拉頓實(shí)驗(yàn)成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導(dǎo)體的某一點(diǎn)接觸，故稱點(diǎn)接觸晶體管。這種晶體管對(duì)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(shí)驗(yàn)室首次在紐約向公眾展示了晶體管。這個(gè)偉大的發(fā)明使許多專家不勝驚訝。然而，對(duì)于它的實(shí)用價(jià)值，人們大都表示懷疑。當(dāng)年7月1日的《紐約時(shí)報(bào)》只以8個(gè)句子、201個(gè)文字的短訊形式報(bào)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(guò)是實(shí)驗(yàn)室的珍品而已。估計(jì)只能做助聽(tīng)器之類的小東西，不可能派上什么大用場(chǎng)。

71947年12月23日第一個(gè)晶體管NPNGe晶體管

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

的確，當(dāng)時(shí)的點(diǎn)接觸晶體管利用觸須接點(diǎn)，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(duì)它無(wú)動(dòng)于衷。然而，物理學(xué)家肖克利等人卻堅(jiān)信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒(méi)有被人們所認(rèn)識(shí)。于是，在點(diǎn)接觸式晶體管發(fā)明以后，他們?nèi)匀徊贿z余力，繼續(xù)研究。又經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的反復(fù)思索,一個(gè)念頭卻在心中越來(lái)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(shí)際上走入了研究的誤區(qū)。晶體管同電子管產(chǎn)生于完全不同的物理現(xiàn)象，這就暗示晶體管效應(yīng)有其獨(dú)特之處。明白了這一點(diǎn)，肖克利當(dāng)即決定暫時(shí)放棄原來(lái)追求的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，集中精力實(shí)現(xiàn)一種新型晶體管.91948年11月，肖克利構(gòu)思出一種新型晶體管，其結(jié)構(gòu)像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導(dǎo)體夾在兩層P型半導(dǎo)體之間。這是一個(gè)多么富有想象力的設(shè)計(jì)?。】上У氖?，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，研究和實(shí)驗(yàn)都十分困難。直到1950年，人們才成功地制造出第一個(gè)PN結(jié)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(hào)放大元件，是電子工業(yè)的強(qiáng)大引擎，是計(jì)算機(jī)革命的關(guān)鍵，被媒體和科學(xué)界稱為“20世紀(jì)最重要的發(fā)明”。也因此有人說(shuō)：“沒(méi)有貝爾實(shí)驗(yàn)室，就沒(méi)有硅谷。”12晶體管之父肖克利1954年，成就了“本世紀(jì)最偉大發(fā)明”的晶體管之父肖克利，離開(kāi)貝爾實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體實(shí)驗(yàn)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(xué)家從美國(guó)東部陸續(xù)加盟肖克利的實(shí)驗(yàn)室。他們的年齡都在30歲以下，學(xué)有所成，有獲得雙博士學(xué)位者，有來(lái)自大公司的工程師，有著名大學(xué)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(xué)就讀于當(dāng)?shù)氐母窳旨{爾學(xué)院，多才多藝的諾伊斯，他同時(shí)學(xué)習(xí)物理、數(shù)學(xué)兩個(gè)專業(yè)。他擅長(zhǎng)游泳，曾獲衣阿華州跳水冠軍。業(yè)余時(shí)間還演奏雙簧管，并在當(dāng)?shù)仉娕_(tái)表演廣播連續(xù)劇。

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

諾伊斯保住了小命，也逃脫了刑事控告，卻無(wú)法逃脫學(xué)校的處罰。經(jīng)過(guò)一些交易，處罰不重：停學(xué)一學(xué)期，發(fā)配到紐約市公平人壽保險(xiǎn)公司做統(tǒng)計(jì)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(duì)絕緣體表面光電現(xiàn)象的研究》。在一次音樂(lè)會(huì)上，參加演出的諾伊斯與化妝師伊麗莎白一見(jiàn)鐘情，1953年一畢業(yè)就結(jié)了婚。17

諾伊斯沒(méi)有選擇大公司，而是去了較小的菲爾科公司。他對(duì)物質(zhì)追求很淡漠，“我唯一的夢(mèng)想是能同時(shí)買兩雙鞋，因?yàn)槲沂谴┲鐜讉€(gè)的舊鞋子長(zhǎng)大的。”這一干就是3年。

1956年，在華盛頓的技術(shù)報(bào)告會(huì)上，肖克利被他的報(bào)告深深打動(dòng)?！?個(gè)月后，肖克利打來(lái)電話，說(shuō)他打算到西海岸開(kāi)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(shí)驗(yàn)室大量生產(chǎn)晶體管，要把成本降到每只5分錢(qián)。然而，肖克利雖然雄心勃勃，但對(duì)管理卻一竅不通，把實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)指揮得一塌糊涂，全然聽(tīng)不進(jìn)別人的善意規(guī)勸。18

年輕人徹底地失望了：一年之中，實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有任何拿得出手的產(chǎn)品問(wèn)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(lái)想去，決定自己創(chuàng)辦一家公司?？伤麄円捕疾欢a(chǎn)管理，大家一致同意"策反"諾依斯，他看起來(lái)是唯一有點(diǎn)兒領(lǐng)導(dǎo)才能的人。當(dāng)8位青年聯(lián)名遞上辭職書(shū)的時(shí)候，肖克利不由得火冒三丈：

"你們簡(jiǎn)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(wú)返顧地離開(kāi)了他們的“伯樂(lè)”。這就是電腦史上人所共知的有關(guān)“8大叛徒”的趣談，不過(guò)，肖克利本人后來(lái)也改口把他們稱為“8個(gè)天才的叛逆”。肖克利實(shí)驗(yàn)室因主要骨干出走而一蹶不振。最后肖克利只好回到大學(xué)教書(shū).19天才八叛逆1957年9月，“八叛逆”手拿《華爾街日?qǐng)?bào)》，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(guó)東部的仙童照相器材和設(shè)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(dǎo)體公司，仍在嘹望山租下一間小屋，著手制造一種雙擴(kuò)散基型晶體管，以便用硅來(lái)取代傳統(tǒng)的鍺材料。在諾依斯精心運(yùn)籌下，“仙童”的業(yè)務(wù)逐漸有了較大發(fā)展，員工增加到100多人。

同時(shí)，一整套制造硅晶體管的平面處理技術(shù)也日趨成熟?？茖W(xué)家赫爾尼(J·A·Hoermi)是眾"仙童"中的佼佼者，他像變魔術(shù)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(jié)構(gòu)，然后用拍照片的辦法，把結(jié)構(gòu)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(dǎo)體性質(zhì)的微粒擴(kuò)散到硅片上。21

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

就在仙童公司諾依斯等人還在大膽設(shè)想的時(shí)候，晶體管的集成化試驗(yàn)卻已在德克薩斯儀器公司悄悄地進(jìn)行。22

幾乎在同一時(shí)期，美國(guó)南部達(dá)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(shù)創(chuàng)意。

讀中學(xué)時(shí)，基爾比的父親期盼他能考上麻省理工學(xué)院，成為優(yōu)秀的電子工程師?？荚嚨慕Y(jié)果，成績(jī)一貫優(yōu)秀的基爾比以3分之差落第，不得已進(jìn)入伊利諾伊大學(xué)就讀。

基爾比在伊利諾斯大學(xué)和威斯康星大學(xué)所學(xué)專業(yè)都是電子工程學(xué)，他從英國(guó)科學(xué)家達(dá)默的思想里獲得了啟發(fā)。達(dá)默（Dummer）早在1952年就指出，由半導(dǎo)體構(gòu)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(dá)默（W.A.dummer)在英國(guó)的一次會(huì)議上講到電子學(xué)的可靠性時(shí)說(shuō)過(guò):"隨著晶體管的出現(xiàn)和半導(dǎo)體工作的普遍化，現(xiàn)在似乎可以設(shè)想在固體板塊中的電子設(shè)備無(wú)需連接的導(dǎo)線。板塊本身就包括了絕緣的導(dǎo)電層、整流和放大的材料，通過(guò)切割各層面積的辦法直接把電學(xué)功能連接在一起”。根據(jù)這種想法，基爾比在筆記本上畫(huà)出了設(shè)計(jì)草圖。24集成電路草圖基爾比（J.kilby）25

1958年7月，達(dá)拉斯天氣炎熱，TI公司宣布放一次長(zhǎng)假，絕大多數(shù)員工興高采烈離開(kāi)崗位?；鶢柋饶悄?5歲，到TI公司任職不足兩個(gè)月，無(wú)權(quán)享受休假的樂(lè)趣。人去樓空，反而給他提供了思考和試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

基爾比曾在一家小型實(shí)驗(yàn)室干了10年，搞過(guò)晶體管助聽(tīng)器和其他電子工藝，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。TI公司目前交給他的任務(wù)是把許多單獨(dú)的晶體管擠進(jìn)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(wú)用的支架、管殼卻占去多數(shù)體積。

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基爾比原來(lái)設(shè)想用硅材料制作電路，但TI公司沒(méi)有這種合適的硅片，他只得改用鍺材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。終于，他成功地在一塊鍺片上形成了若干個(gè)晶體管、電阻和電容，并用熱焊的方法用極細(xì)的導(dǎo)線互連起來(lái)。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(guò)4平方毫米的面積上，基爾比大約集成了12個(gè)元件，是一種用于無(wú)線電設(shè)備的“移相振蕩器”。

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

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

當(dāng)基爾比發(fā)明集成電路的消息傳到硅谷，仙童半導(dǎo)體公司當(dāng)即召集會(huì)議商議對(duì)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(dǎo)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(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)集成電路的大批量生產(chǎn)，仙童公司開(kāi)始奮起疾追。1959年7月30日，他們采用先進(jìn)的平面處理技術(shù)研制出集成電路，也申請(qǐng)到一項(xiàng)發(fā)明專利，題為“半導(dǎo)體器件——導(dǎo)線結(jié)構(gòu)”；時(shí)間比基爾比晚了半年。于是，兩家公司為爭(zhēng)奪集成電路的發(fā)明權(quán)打起了官司，在整個(gè)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(guān)鍵的內(nèi)部連接技術(shù)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(gè)專利，但他的設(shè)計(jì)不夠?qū)嵱?；倒是諾伊斯的平面處理設(shè)計(jì)成了后來(lái)微電子革命的基礎(chǔ)，但他在專利申請(qǐng)上卻是后手。1966年，基爾比和諾依斯同時(shí)被富蘭克林學(xué)會(huì)授予美國(guó)科技人員最渴望獲得的巴蘭丁獎(jiǎng)?wù)??；鶢柋缺蛔u(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”，而諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)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(duì)“共同發(fā)明人”這個(gè)詞還心有不甘：“我不那么樂(lè)意，我認(rèn)為這是諾伊斯博士的說(shuō)法?！?997年的一個(gè)電視節(jié)目說(shuō)到了集成電路和JackKilby，"我們可以說(shuō)微芯片是歷史上最重大的發(fā)明之一，它為無(wú)數(shù)的其他發(fā)明鋪平了道路。在過(guò)去的40年里，Kilby已經(jīng)看到他的發(fā)明改變了世界。JackKilby是為數(shù)不多的幾個(gè)人之一，他可以環(huán)顧世界并對(duì)自己說(shuō)"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(tái)用集成電路組裝的計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著電腦從此進(jìn)入它的第三代歷史。該機(jī)共有587塊集成電路，重不過(guò)300克，體積不到100立方厘米，功率只有16瓦。仙童半導(dǎo)體起飛了。1960年，“八叛逆”忽然發(fā)現(xiàn)每人擁有25萬(wàn)美元的公司股票。對(duì)這幫科學(xué)家來(lái)說(shuō)，無(wú)疑這是一筆意外之財(cái)。但是，喜悅沒(méi)延續(xù)多久，公司就開(kāi)始地震。人心浮動(dòng)，經(jīng)營(yíng)失控，以往團(tuán)結(jié)一致的整體開(kāi)始渙散。35

諾依斯為人過(guò)于正真，甚至在公司危機(jī)時(shí)也沒(méi)有能力解雇或?qū)⑷私德?。他將仙童維持了將近10年，最終因他失去了對(duì)公司的控制而使公司陷入危機(jī)。

因此，在硅谷里演出了又一出“大叛逃”的喜劇。以技術(shù)骨干赫爾尼為首的4人首先出走，創(chuàng)辦阿內(nèi)爾科公司，據(jù)說(shuō)，赫爾尼后來(lái)手創(chuàng)的新公司達(dá)12家之多；其他人也先后出走，創(chuàng)辦過(guò)多家半導(dǎo)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(chǎn)微處理器著稱，至今仍然是intel強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。36AMD的創(chuàng)始人、公司前任CEO杰瑞·桑德斯

桑德斯個(gè)性放蕩不羈

。開(kāi)卡迪拉克，住幢豪華別墅，留長(zhǎng)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(jù)說(shuō)，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(jīng)理斯波克帶領(lǐng)4名手下離開(kāi)公司，投奔國(guó)民半導(dǎo)體，主攻存儲(chǔ)器市場(chǎng)

。尤其在1981年，國(guó)民半導(dǎo)體成為美國(guó)第一家年收入超過(guò)10億美元的半導(dǎo)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(dá)到10億美元的公司，但只用了HP達(dá)到這一規(guī)模的一半時(shí)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(jīng)理，是他的離去加速了仙童公司的破產(chǎn)。

從此，仙童的人心開(kāi)始瓦解，人才外流無(wú)法抑制。一份又一份的個(gè)人簡(jiǎn)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?cè)凇肮韫取币殉杉页１泔?。以仙童公司為例?0年代末，由它前雇員辦的公司有38家，到了70年代初，竟達(dá)41家。到了1984年，直接或間接分出來(lái)的公司達(dá)到70多家。仙童公司當(dāng)之無(wú)愧是硅谷的“西點(diǎn)軍校”，硅谷里的半導(dǎo)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(guò)一次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)頭面人物的會(huì)議，有好事者作了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與會(huì)的400人中，只有24人沒(méi)有在仙童公司干過(guò)。

對(duì)于斯波克的離去,最受震驚的莫過(guò)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(zhǔn)備托付公司的人?！拔矣X(jué)得一切都完了。坦率地說(shuō)，我感到了巨大的個(gè)人損失。同自己喜愛(ài)的人一同工作，然后他們離開(kāi)了你，這對(duì)我來(lái)說(shuō)是最痛苦不過(guò)的?！?91968年，肖克利的"八叛逆"們大都出走自立門(mén)戶。諾依斯想起了激勵(lì)自己奮發(fā)圖新的一句箴言："任何一次革新都必須保持樂(lè)觀，沒(méi)有樂(lè)觀精神，就難以離開(kāi)安穩(wěn)，去尋求變化和冒險(xiǎn)。"他毅然決定脫離已經(jīng)無(wú)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(diǎn)。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(xué)院，獲得化學(xué)及物理學(xué)雙博士學(xué)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(jīng)營(yíng)管理的葛洛夫，原籍匈牙利，初來(lái)美國(guó)時(shí)連《紐約時(shí)報(bào)》上的大標(biāo)題都讀不全，他全憑著毅力，在三年內(nèi)讀完大學(xué)，接著又拿下加州大學(xué)化工博士學(xué)位。1963年，格羅夫進(jìn)入仙童擔(dān)任摩爾的助理，其管理才能很快就被發(fā)覺(jué).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(gè)鄰海的小鎮(zhèn)。父親17歲時(shí)因祖父早逝而退學(xué)養(yǎng)家，擔(dān)任該縣司法長(zhǎng)官的幫辦。母親則中學(xué)畢業(yè)，家庭環(huán)境并沒(méi)有給他的成長(zhǎng)帶來(lái)多少熏陶。十一、二歲時(shí)，他忽然對(duì)化學(xué)產(chǎn)生興趣，立志要當(dāng)名化學(xué)家。當(dāng)時(shí)鄰居的孩子有一個(gè)獨(dú)特的圣誕禮物：一個(gè)化學(xué)裝置。里面有許多真正的化學(xué)試劑，可制造炸藥等許多東西。摩爾經(jīng)常去找鄰居的孩子，私下里想玩玩那些試劑。這項(xiàng)愛(ài)好成全了他日后的遠(yuǎn)大夢(mèng)想——成為一名科學(xué)家。43

在學(xué)校，摩爾的聰穎很快顯露出來(lái)。但他并不是書(shū)呆子，比起做作業(yè)，他更愿意在運(yùn)動(dòng)上多花時(shí)間?！斑@種情形一直持續(xù)到高中，所以對(duì)我的今天，很多同學(xué)多少有點(diǎn)奇怪，那時(shí)我并不是班里最好的學(xué)生?！敝袑W(xué)畢業(yè)后，摩爾如愿以償考入計(jì)算機(jī)重鎮(zhèn)——加州伯克利大學(xué)，學(xué)習(xí)他向往以久的化學(xué)專業(yè)。1950年，摩爾獲學(xué)士學(xué)位，繼續(xù)在加利福尼亞理工學(xué)院深造，1954年獲物理化學(xué)博士學(xué)位。作為家中的第一個(gè)大學(xué)生，這無(wú)疑是摩爾家族始料不及的榮譽(yù)。44

摩爾曾想在家鄉(xiāng)附近的西海岸，過(guò)平靜的學(xué)院研究生活。他進(jìn)了約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室，兩年漫無(wú)目的的研究工作，改變了他的思想。當(dāng)時(shí)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(gè)上司的離去而名存實(shí)亡。“我開(kāi)始計(jì)算自己發(fā)表的文章，結(jié)果是每個(gè)單詞5美元，對(duì)基礎(chǔ)研究來(lái)說(shuō)這相當(dāng)不錯(cuò)。但我不知道誰(shuí)會(huì)讀這些文章，政府能否從中獲得相應(yīng)的價(jià)值”。摩爾還擁有多項(xiàng)重要專利。

摩爾準(zhǔn)備放棄不著邊際的基礎(chǔ)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(gè)半導(dǎo)體公司，正需一個(gè)化學(xué)家。對(duì)摩爾來(lái)說(shuō)，肖克利更是如雷貫耳。45

在仙童公司摩爾開(kāi)始是技術(shù)部經(jīng)理，后執(zhí)掌研發(fā)部，從事的是肖克利實(shí)驗(yàn)室搞過(guò)的2N692雙擴(kuò)散晶體管項(xiàng)目。摩爾和赫爾尼負(fù)責(zé)擴(kuò)散工藝。當(dāng)時(shí)剛租賃的房屋還未最后竣工，甚至沒(méi)有通電。大伙只好與農(nóng)民一般，日出而作，日落而息.公司設(shè)立兩個(gè)小組，探索最佳結(jié)構(gòu)，最后摩爾領(lǐng)導(dǎo)的小組因生產(chǎn)率高而獲勝。摩爾直接向諾伊斯報(bào)告工作，進(jìn)一步促成了未來(lái)共同創(chuàng)業(yè)的志向。

摩爾的長(zhǎng)相和個(gè)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(guò)1.8米，頭頂光禿。在每次晚會(huì)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(rèn)輸，敢于迎接任何挑戰(zhàn)。而摩爾總是同幾個(gè)最親近的朋友圍坐桌旁，輕聲細(xì)語(yǔ)地閑聊。摩爾的性情相當(dāng)沉著、平靜。他有兩大愛(ài)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(kāi)硅晶體車間坐下來(lái)，拿了一把尺子和一張紙，畫(huà)了個(gè)草圖?？v軸代表不斷發(fā)展的芯片，橫軸為時(shí)間，結(jié)果是很有規(guī)律的幾何增長(zhǎng)。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(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在當(dāng)年第35期《電子學(xué)》雜志上，并預(yù)言在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢(shì)頭。474849

當(dāng)時(shí)，集成電路問(wèn)世才６年。摩爾的實(shí)驗(yàn)室也只能將５０只晶體管和電阻集成在一個(gè)芯片上。摩爾當(dāng)時(shí)的預(yù)測(cè)聽(tīng)起來(lái)好像是科幻小說(shuō)；此后也不斷有技術(shù)專家認(rèn)為芯片集成的速度“已經(jīng)到頂”。但事實(shí)證明，摩爾的預(yù)言是準(zhǔn)確的。盡管這一技術(shù)進(jìn)步的周期已經(jīng)從最初預(yù)測(cè)的１２個(gè)月延長(zhǎng)到如今的近１８?jìng)€(gè)月，但“摩爾定律”依然有效。目前最先進(jìn)的集成電路已含有１７億個(gè)晶體管。

摩爾定律神奇地靈驗(yàn)了三十多年，連摩爾自己也驚訝不已。

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

51

憑借諾依斯的名譽(yù)，要籌集創(chuàng)辦新企業(yè)的款項(xiàng)是輕而易舉的。他曾經(jīng)說(shuō)道，他只需花半小時(shí)就能籌到資金。那一天，諾依斯來(lái)到硅谷著名風(fēng)險(xiǎn)資本家阿瑟·羅克的辦公室，提出準(zhǔn)備新辦公司的設(shè)想。羅克隨即拿起了電話，連續(xù)撥通了幾個(gè)號(hào)碼，然后回過(guò)頭說(shuō)道：

“250萬(wàn)，夠了吧？”諾依斯低頭看看表，時(shí)間也就是30分來(lái)鐘。

52硅谷的人們一致公認(rèn)：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(tuán)結(jié)人才，組織推動(dòng)商業(yè)行銷。葛洛夫果斷干練，具有"鐵石心腸"，做事雷厲風(fēng)行，擅長(zhǎng)于管理和鞭策下屬。摩爾天生一個(gè)科學(xué)家的頭腦，又善于運(yùn)籌帷幄，公司的技術(shù)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(gè)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(fēng)景如畫(huà)的塔希提島上，Intel的設(shè)計(jì)師霍夫突發(fā)奇想，能不能將此前一直分離的負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的核心存儲(chǔ)器與負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的邏輯存儲(chǔ)器結(jié)合起來(lái)，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(gè)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(gè)晶體管，每個(gè)晶體管的距離是10微米——也就是說(shuō)每個(gè)晶體管線條寬度只有一根頭發(fā)的千分之一，每秒運(yùn)算6萬(wàn)次?；叵肫饋?lái)，這在當(dāng)時(shí)的確是非常了不起的成就：一粒米大小的芯片內(nèi)核，其功能居然與世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)——占地170平方米的、擁有1.8萬(wàn)個(gè)晶體管的“愛(ài)尼亞克”相等，這在當(dāng)時(shí)是聞所未聞！55Intel4004，小芯片征服大世界

56第一個(gè)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(jī)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(lái)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(jué)中微處理器已經(jīng)走過(guò)了40年的歷程。58

諾伊斯雖然沒(méi)能受到諾貝爾獎(jiǎng)的青睞，但他當(dāng)之無(wú)愧是微電子產(chǎn)業(yè)的教父，因?yàn)椴粌H是集成電路的發(fā)明人之一，也是現(xiàn)代微電子學(xué)的重要奠基人，他更直接推動(dòng)了集成電路產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，他所創(chuàng)建的仙童半導(dǎo)體公司造就了一大批微電子公司的領(lǐng)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(lǐng)域獨(dú)步天下的Intel帝國(guó)，他對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)無(wú)人能比，即使基爾比也只能望其項(xiàng)背。1990年，諾伊斯在一次游泳時(shí)，突發(fā)心脹病去世。微電子產(chǎn)業(yè)的教父592001年10月28日，摩爾向母校加利福尼亞理工學(xué)院捐款6億美元，創(chuàng)造了美國(guó)單一學(xué)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(zèng)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(xué)捐獻(xiàn)4億美元。）。這項(xiàng)捐款，將用于該校未特指的項(xiàng)目，捐款將在10年內(nèi)付清。72歲的摩爾說(shuō)：“加利福尼亞理工學(xué)院歷史上曾創(chuàng)造過(guò)巨大科學(xué)貢獻(xiàn)。我的捐款最好不要用于蓋樓房，而應(yīng)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(dān)任過(guò)INTEL總裁。60

加利福尼亞理工學(xué)院，是一個(gè)僅有2000名本科生和研究生的小型大學(xué)，但它擁有28位諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。該學(xué)院的科學(xué)家們，發(fā)現(xiàn)了噴氣飛機(jī)的原理、解釋了化學(xué)粘合劑的特性、奠定了分子生物學(xué)和最先進(jìn)的地震學(xué)的基礎(chǔ)等。摩爾的捐款，達(dá)到了加利福尼亞理工學(xué)院12億美元資助的一半。該學(xué)院院長(zhǎng)說(shuō)：“我們遇到了來(lái)自許多其他大學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)，摩爾的這筆捐款將保持我們的競(jìng)爭(zhēng)能力。”這位身價(jià)超過(guò)260億美元的70多歲老人表示，在退出公司董事會(huì)后，他將繼續(xù)擔(dān)任公司的顧問(wèn)。當(dāng)然，更重要的是，他要在余生，將自己的財(cái)富發(fā)揮最大的作用，這個(gè)意義不亞于他在英特爾的貢獻(xiàn)，當(dāng)然，也同樣具有挑戰(zhàn)性。612000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，基爾比與另外兩位科學(xué)家共同分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?yōu)樾畔⒓夹g(shù)所作出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)?；鶢柋确窒砹私偃f(wàn)美元的一半。除了集成電路，他還是袖珍計(jì)算器的發(fā)明者之一，擁有60多項(xiàng)美國(guó)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(lǐng)導(dǎo)廠商，其市場(chǎng)占有率超過(guò)47.1％。。

二、從晶體管到ULSI-集成電路工藝、邏輯設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)述6263

1簡(jiǎn)化N阱CMOS

工藝演示64氧化層生長(zhǎng)光刻1，刻N(yùn)阱掩膜版氧化層P-SUB65曝光光刻1，刻N(yùn)阱掩膜版光刻膠掩膜版66氧化層的刻蝕光刻1，刻N(yùn)阱掩膜版67N阱注入光刻1，刻N(yùn)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(chǎng)氧的生長(zhǎng)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(zhǎng)二氧化硅（柵氧）光刻3，刻多晶硅掩膜版柵氧場(chǎng)氧N阱73生長(zhǎng)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(yùn)+離子注入掩膜版N+N阱78生長(zhǎng)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(mén)電路：以MOS管作為開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的門(mén)電路

MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種，在數(shù)字電路中多采用增強(qiáng)型

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

D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小

（1）NMOS管的開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性

VGS＞VTN時(shí)導(dǎo)通取:VTN=2VD接負(fù)電源

（2）PMOS管的開(kāi)關(guān)特性

截止取:VTP=－2V即:|VGS|

＞|VTP|=

2V時(shí)導(dǎo)通|VGS|

＞|VTP|時(shí)導(dǎo)通CMOS反相器（1）uA＝0V時(shí)，TN截止，TP導(dǎo)通。輸出電壓uY＝VDD＝10V。（2）uA＝10V時(shí)，TN導(dǎo)通，TP截止。輸出電壓uY＝0V。驅(qū)動(dòng)管負(fù)載管其它功能的CMOS門(mén)電路1、CMOS與非門(mén)①A、B當(dāng)中有一個(gè)或全為低電平時(shí)，TN1、TN2中有一個(gè)或全部截止，TP1、TP2中有一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出Y為高電平。②只有當(dāng)輸入A、B全為高電平時(shí)，TN1和TN2才會(huì)都導(dǎo)通，TP1和TP2才會(huì)都截止，輸出Y才會(huì)為低電平。驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)負(fù)載管并聯(lián)CMOS或非門(mén)①只要輸入A、B當(dāng)中有一個(gè)或全為高電平，TP1、TP2中有一個(gè)或全部截止，TN1、TN2中有一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出Y為低電平。②只有當(dāng)A、B全為低電平時(shí)，TP1和TP2才會(huì)都導(dǎo)通，TN1和TN2才會(huì)都截止，輸出Y才會(huì)為高電平。驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)負(fù)載管串聯(lián)與門(mén)Y=AB=AB或門(mén)Y=A+B=A+B3、CMOS與或非門(mén)二、SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元

靜態(tài)存儲(chǔ)單元是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加門(mén)控管而成，它是靠觸發(fā)器的自保持功能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。

圖7.3.5是由六只N溝道增強(qiáng)型MOS管組成的靜態(tài)存儲(chǔ)單元。1.MOS管構(gòu)成：2.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）圖7.3.5圖7.3.52.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(mén)控管，作模擬開(kāi)關(guān)使用，用來(lái)控制觸發(fā)器的Q、Q

，和位線Bj、Bj

之間的聯(lián)系。T5、T6的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是由字線Xi決定，當(dāng)Xi

＝1時(shí)，T5、T6導(dǎo)通，鎖存器的輸出和位線接通；當(dāng)Xi＝0時(shí)，T5、T6截止，鎖存器與位線斷開(kāi)。圖7.3.52.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）T7、T8：是每一列存儲(chǔ)單元公用的兩個(gè)門(mén)控管，用于和讀/寫(xiě)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(lái)控制的。當(dāng)Yj

＝1時(shí)，所在的列被選中，T7、T8導(dǎo)通，這時(shí)第i行第j列的單元的單元與緩沖器相連；當(dāng)Yj

＝0時(shí)，T7、T8截止。圖7.3.52.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）工作原理：2.3靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）當(dāng)存儲(chǔ)單元所在的一行和所在地一列同時(shí)被選中以后，即Xi

＝1，Yj

＝1，T5、T6

、T7、T8均處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q、Q

和Bj、Bj

之間接通。若這時(shí)CS

＝0，R/W

＝1,則讀/寫(xiě)緩沖放大器的A1接通，A2、A3不通，Q的狀態(tài)經(jīng)A1送到I/O端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出圖7.3.52.4動(dòng)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(xiě)讀后重寫(xiě)，刷新均經(jīng)由刷新放大器進(jìn)行

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路若CS

＝0，R/W

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

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預(yù)測(cè)

半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞?/p>

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(shù)是近50年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)微電子技術(shù)的進(jìn)步按此比率下降，小汽車價(jià)格不到1美分Moore定律

性能價(jià)格比在過(guò)去的20年中，改進(jìn)了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進(jìn)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(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場(chǎng)不變：恒定電場(chǎng)規(guī)律，簡(jiǎn)稱CE律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)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(mén)延遲時(shí)間tpd為：其中VDS、IDS、CL均縮小了

倍，所以tpd也縮小了

倍。標(biāo)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(chǎng)定律的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)的改變會(huì)帶來(lái)很大的不便恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡(jiǎn)稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對(duì)其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小按CV律縮小后對(duì)電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且采用CV律會(huì)使溝道內(nèi)的電場(chǎng)大大增強(qiáng)CV律一般只適用于溝道長(zhǎng)度大于1

m的器件，它不適用于溝道長(zhǎng)度較短的器件。準(zhǔn)恒定電場(chǎng)等比例縮小規(guī)則，縮寫(xiě)為QCE律CE律和CV律的折中，世紀(jì)采用的最多隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，強(qiáng)電場(chǎng)、高功耗以及功耗密度等引起的各種問(wèn)題限制了按CV律進(jìn)一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時(shí)又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實(shí)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?lái)的

/

倍微電子技術(shù)的

三個(gè)發(fā)展方向21世紀(jì)硅微電子技術(shù)的三個(gè)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(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)層次：微細(xì)加工目前0.25

m和0.18

m已開(kāi)始進(jìn)入大生產(chǎn)0.15

m和0.13

m大生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)，具備大生產(chǎn)的條件當(dāng)然仍有許多開(kāi)發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開(kāi)發(fā)，為EDA服務(wù)的器件模型模擬開(kāi)發(fā)以及基于上述加工工藝的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等在0.13-0.025um階段，最關(guān)鍵的加工工藝—光刻技術(shù)還是一個(gè)大問(wèn)題，尚未解決微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)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(shí)的可靠性問(wèn)題還有待研究開(kāi)發(fā)微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮?。ㄙY料來(lái)源：SolidstateTechnologyOct.,1998）

第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系高K介質(zhì)金屬柵電極低K介質(zhì)SOI材料微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小

傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)

重?fù)诫s多晶硅SiO2

硅化物

經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:L

ToxXj1/3柵介質(zhì)的限制

隨著

tgate

的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長(zhǎng)超薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜拥膭?shì)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(zhì)的限制柵介質(zhì)的限制

等效柵介質(zhì)層的總厚度：

Tox>1nm+t柵介質(zhì)層

Tox

t多晶硅耗盡

t柵介質(zhì)層

t量子效應(yīng)++

由多晶硅耗盡效應(yīng)引起的等效厚度

:t多晶硅耗盡

0.5nm

由量子效應(yīng)引起的等效厚度:t量子效應(yīng)0.5nm

～

～

限制：等效柵介質(zhì)層的總厚度無(wú)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(lái)替代SiO2SiO2無(wú)法適應(yīng)亞50納米器件的要求柵介質(zhì)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(chǎn)業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯底上的硅)技術(shù)SOI技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)隔離,徹底消除了體硅CMOS集成電路中的寄生閂鎖效應(yīng)速度高集成密度高工藝簡(jiǎn)單減小了熱載流子效應(yīng)短溝道效應(yīng)小,特別適合于小尺寸器件體效應(yīng)小、寄生電容小，特別適合于低壓器件SOI材料價(jià)格高襯底浮置表層硅膜質(zhì)量及其界面質(zhì)量SOI技術(shù)：缺點(diǎn)隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質(zhì)?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?電子輸運(yùn)的渡越時(shí)間～碰撞時(shí)間微觀物理的輸運(yùn)理論?溝道長(zhǎng)度

L<50納米L源漏柵Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

柵介質(zhì)層新一代小尺寸器件問(wèn)題帶間隧穿反型層的量子化效應(yīng)電源電壓1V時(shí)，柵介質(zhì)層中電場(chǎng)約為5MV/cm，硅中電場(chǎng)約1MV/cm考慮量子化效應(yīng)的器件模型?…...可靠性0.1umSub0.1um2030年后，半導(dǎo)體加工技術(shù)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(shí)、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無(wú)法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求IC設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平的提高，IC規(guī)模越來(lái)越大，已可以在一個(gè)芯片上集成108~109個(gè)晶體管分立元件集成電路IC

系統(tǒng)芯片SystemOnAChip(簡(jiǎn)稱SOC)將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下系統(tǒng)芯片(SOC)與集成電路(IC)的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片六十年代的集成電路設(shè)計(jì)微米級(jí)工藝基于晶體管級(jí)互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)PEL2MEMMathBusControllerIOGraphicsPCB集成工藝無(wú)關(guān)系統(tǒng)亞微米級(jí)工藝依賴工藝基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連主流CAD:門(mén)陣列標(biāo)準(zhǔn)單元集成電路芯片世紀(jì)之交的系統(tǒng)設(shè)計(jì)SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞微米級(jí)工藝基于IP復(fù)用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceSOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能SOC必須采用從系統(tǒng)行為級(jí)開(kāi)始自頂向下(Top-Down)地設(shè)計(jì)SOC的優(yōu)勢(shì)嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問(wèn)題嵌入式CPUCore可以使設(shè)計(jì)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(pán)考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)若采用SOC方法和0.35

m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0.25~0.18

m工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)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(jí)的降低集成電路走向系統(tǒng)芯片21世紀(jì)的微電子將是SOC的時(shí)代SOC的三大支持技術(shù)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：Co-DesignIP技術(shù)界面綜合(InterfaceSynthesis)技術(shù)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(jì)算機(jī)通訊壓縮解壓縮加密與解密集成