1947年12月16 日美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的J.Bardeen(1908-1991)和W,Brattain(1902一1987)研究成功一種嶄新的電子器件----半導(dǎo)體晶體管。他們發(fā)明的晶體管原形是一個(gè)點(diǎn)接觸三極實(shí)驗(yàn)型固態(tài)器件,如圖1.1所示。他們利用半導(dǎo)體鍺晶體,在人類歷史上首次試驗(yàn)成功一種具有信號(hào)放大效應(yīng)的固態(tài)電子器件。這是自從1906年L.DeForest(1873-1961）發(fā)明真空電子三極管后,電子器件領(lǐng)域的最重要講展。與發(fā)明者在同一實(shí)驗(yàn)室工作的工程師J.R.Pieree(1910一2002),為這種剛"出世"的固態(tài)器件創(chuàng)造了個(gè)新詞"transistor"。據(jù)說,現(xiàn)今通用的中文譯名"晶體管"為錢學(xué)森所建議。由于這種器件具有與當(dāng)時(shí)真空三極管相類似的三電極結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性,Bardeen和 Brattain撰寫的有關(guān)此新器件的論文題目為"晶體管----一種半導(dǎo)體三極管"[1]。1947年12月23日他們向貝爾實(shí)驗(yàn)室高層管理人員展示了這一發(fā)明。次年6月在這項(xiàng)劃時(shí)代發(fā)明獲得專利后,Bardeen和 Brattain才把他們的論文發(fā)表,并由貝爾實(shí)驗(yàn)室向世人宣告晶體管的發(fā)明。1897年英國(guó)科學(xué)家湯姆孫(J.Thomson，1857一1940)發(fā)現(xiàn)電子50年后,晶體管發(fā)明開創(chuàng)了半導(dǎo)體器件、電子學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元。

早在真空電子器件之前，1874年就有人發(fā)現(xiàn)，金屬與半導(dǎo)體硫化鉛形成的金半接觸具有整流特性。20世紀(jì)前期曾用氧化亞銅、硒等半導(dǎo)體材料制成金半接觸整流器。20世紀(jì)30年代研制出金屬點(diǎn)接觸硅二極管,用于制作高頻檢波電路,在無(wú)線電和雷達(dá)接收機(jī)中得到有效應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后,隨著電子技術(shù)發(fā)展,研制具有信號(hào)放大等更強(qiáng)功能的固態(tài)器件,成為半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的迫切課題。20世紀(jì)30和40年代半導(dǎo)體科學(xué)在量子力學(xué)能帶理論基礎(chǔ)上取得重要進(jìn)展，人們對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)制等有了較深入了解，但仍有許多問題令人困惑,激發(fā)起人們的研究興趣,其中就有一些固態(tài)科學(xué)研究者力圖探索與研制具有電信號(hào)放大功能的固體器件。早在第二次世界大戰(zhàn)前,W.Shockley和W.Brattain就在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事半導(dǎo)體器件有關(guān)研究,戰(zhàn)爭(zhēng)使他們的研究中斷。戰(zhàn)后1945年他們返回貝爾實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步開展半導(dǎo)體器件技術(shù)研究,Bardeen也加入他們的研究團(tuán)隊(duì)。正如許多創(chuàng)新工作一樣，他們的研究也遇到種種困難與挫折。例如，他們?cè)D應(yīng)用場(chǎng)效應(yīng)研制固體放大器件的設(shè)想未能如愿,卻促使Bardeen和Brattain深入研究半導(dǎo)體表面和界面效應(yīng)。正是在研究半導(dǎo)體表面和金屬/半導(dǎo)體接觸特性的過程中,Bardeen和Brattain發(fā)現(xiàn)了晶體管效應(yīng)，研究成功全新固態(tài)電子器件晶體管[3,4]

在圖1.1所示發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管的實(shí)驗(yàn)裝置中，一塊n型鍺晶體置于金屬導(dǎo)體電極上，鍺表面上有兩個(gè)金箔接觸點(diǎn),它們由圖中三角形絕緣體緊密壓延而成，作為相距盡可能近(約50um)的兩個(gè)電極,兩者都和n-Ge形成肖特基勢(shì)壘接觸結(jié),分別為發(fā)射極與集電極。n-Ge基片與背面金屬形成歐姆接觸的基區(qū)電極。3個(gè)電極分別用導(dǎo)線連接到電源,形成共基極電路。Brattain和Bardeen應(yīng)用這樣巧妙而簡(jiǎn)捷的實(shí)驗(yàn)裝置，在發(fā)射結(jié)正偏壓與集電結(jié)反偏壓條件下，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了晶體管放大效應(yīng)。

Shockley(1910一1989)雖然并未直接參與上述點(diǎn)接觸晶體管發(fā)明，但他在晶體管原理研究和技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮了獨(dú)特作用。他不僅是當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體研究的領(lǐng)導(dǎo)者,而且在Bardeen和Brattain試驗(yàn)成功晶體管后,對(duì)半導(dǎo)體pn結(jié)電流電壓特性的物理機(jī)制和晶體管基礎(chǔ)原理進(jìn)行了開創(chuàng)性理論研究,并發(fā)明了由兩個(gè)pn結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體晶體管[5]。Shockley在1949年7月發(fā)表題為"半導(dǎo)體pn結(jié)和晶體管理論"的論文，與他在此期間前后發(fā)表的其他相關(guān)著作一起,奠定了雙極型晶體管的理論基礎(chǔ)[6,7]。因此,Bardeen、Brattain和Shockley 3人共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

直到20世紀(jì)50年代中期,電子技術(shù)發(fā)展主要還是依賴真空電子器件。1955年舉行首屆國(guó)際電子器件會(huì)議(ITEDM),在9個(gè)分組研討專題中，僅有3個(gè)與半導(dǎo)體器件技術(shù)相關(guān),其余皆為真空管相關(guān)技術(shù)。此后，半導(dǎo)體器件逐漸成為電子技術(shù)研發(fā)主流。與真空電子管相比,半導(dǎo)體晶體管具有體積小、重量輕、可靠性高、制造工藝簡(jiǎn)捷等顯著優(yōu)越性。1948一1958年半導(dǎo)體單晶制備和晶體管制造技術(shù)得到迅速發(fā)展。由初期的金屬點(diǎn)接觸晶體管與合金法pn結(jié)晶體管制備工藝,逐步演進(jìn)到應(yīng)用雜質(zhì)擴(kuò)散工藝,使晶體管性能顯著改善。1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室用擴(kuò)散工藝研制成功二極管和晶體管。早期半導(dǎo)體材料中純度和單晶質(zhì)量最好的是鍺,二極管和晶體管等器件的最初實(shí)驗(yàn)研究多應(yīng)用鍺單晶襯底。隨著硅單晶制備技術(shù)的進(jìn)步,硅器件制造技術(shù)開始加速發(fā)展。1954年美國(guó)德克薩斯儀器公司(TI)研制成功硅晶體管。用硅與錯(cuò)單晶材料制造的晶體管、二極管等固態(tài)器件的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域開始迅速擴(kuò)展。

1.1.2 集成電路的發(fā)明

集成電路是由TI公司的J.Kilby(1923-2005)在1958年發(fā)明的。在晶體管問世后,能否把多個(gè)分立二極管、晶體管及電阻等組成的電路直接制作在一塊基片上,使電子電路小型化，成為固體器件技術(shù)領(lǐng)域先行者們所關(guān)注的課題。1958年到TI公司任職不久的工程師Kilby所選擇的正是這一課題。在許多人外出度假的美國(guó)南方炎熱夏季，他獨(dú)自在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的開創(chuàng)性研究，導(dǎo)致第一塊集成電路誕生。與當(dāng)時(shí)他人選擇的混合集成方案不同,Kilby堅(jiān)持采用單片方案,即晶體管和電阻電容等都制作在半導(dǎo)體基片上。1958年9月12日他研制成功一種具有相移振蕩器功能的集成電路[8]。初期這種集成電路曾被稱作"固體電路或固態(tài)電路(solid circuit)"。1959年2月Kilby提出了用半導(dǎo)體材料制作集成電路的"小型化電子電路(miniaturized electonic circuits)"專利申請(qǐng)。現(xiàn)在Kilby是公認(rèn)的集成電路發(fā)明者,但他并非集成電路概念的最初提出者。此前在1952年，電子工程師G.Dummer曾提出，可能把所有的電路集成到一塊半導(dǎo)體晶片上,但當(dāng)時(shí)未能實(shí)現(xiàn)其想法。直到晶體管制造技術(shù)得到較成熟發(fā)展的6年后，他的設(shè)想才由Kiby實(shí)現(xiàn)。

圖1.2為Kilby最初研制成功的集成電路照片。Kilby是在鍺晶片上制成這種集成電路的。pn結(jié)、晶體管和電阻等用擴(kuò)散方法制作,晶體管在Ge晶片上形成相互隔離的臺(tái)面結(jié)構(gòu),臺(tái)面結(jié)構(gòu)系采用黑蠟保護(hù)，經(jīng)化學(xué)腐蝕形成，用細(xì)導(dǎo)線焊接，相連成一個(gè)電路。雖然現(xiàn)在看上去這種電路很"粗糙"，但它卻是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的原創(chuàng)性重大發(fā)明之一。隨著時(shí)間推移，人們愈益認(rèn)識(shí)集成電路發(fā)明的價(jià)值。40余年后的2000年,Kilby因他的發(fā)明獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在1960年前后，研究者發(fā)明和試驗(yàn)成功多種改進(jìn)晶體管和集成電路制造技術(shù)的關(guān)鍵工藝[9]。其中包括硅熱氧化工藝、反向pn結(jié)器件隔離工藝、金屬薄膜蒸發(fā)工藝等。在氧化、光刻、擴(kuò)散、蒸發(fā)等工藝基礎(chǔ)上，美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor)的J. Hoeri(1924-1997)發(fā)明了平面工藝(planar process).經(jīng)過硅晶片表面生長(zhǎng)氧化層、圖形光刻、局域選擇性摻雜等各種平面加工,通過多項(xiàng)工藝有機(jī)結(jié)合,形成pn結(jié)等器件結(jié)構(gòu)。Fairchild公司應(yīng)用這種工藝最先研制成功硅平面晶體管。用平面工藝制造硅晶體管,在器件性能和生產(chǎn)效率等方面都顯著優(yōu)于鍺晶體管技術(shù),從而促進(jìn)了半導(dǎo)體器件主導(dǎo)襯底材料由鍺轉(zhuǎn)向硅的演進(jìn)。平面工藝原理至今仍為集成電路制造基本技術(shù)基礎(chǔ)之一。

在Kilby發(fā)明集成電路和提出專利申請(qǐng)后不久，1959年7月Fairchild公司的RNoyce(1927-1990)也提出了應(yīng)用平面工藝制造集成電路的專利申請(qǐng),其名稱為"半導(dǎo)體器件及引線結(jié)構(gòu)"(semiconductordevice-and-lead structure),并研制成功第一個(gè)硅單片集成電路,把它稱作"微芯片"(microchip)。圖1.3所示為早期制造的簡(jiǎn)單邏輯電路硅微芯片照片。人們開始把制造在大小僅為毫米或厘米尺度硅片上的集成電路,稱為"硅集成電路芯片"(IC chip),也可簡(jiǎn)稱為"集成芯片"。這種平面工藝微芯片技術(shù)，促使集成電路制造工藝走向成熟，硅集成電路器件技術(shù)得以更快發(fā)展。因此，Noyce是集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)名副其實(shí)的主要奠基人之一。

1.1.3MOS集成器件技術(shù)基礎(chǔ)的建立

作為現(xiàn)代硅集成電路主流的金屬/氧化物/半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件，也在雙極型晶體管與集成電路發(fā)明及早期發(fā)展的同時(shí)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在晶體管發(fā)明前后，Bardeen、Shockley等人對(duì)半導(dǎo)體表面和場(chǎng)效應(yīng)理論進(jìn)行了多方面理論與實(shí)驗(yàn)研究。1948年Shockley發(fā)表了題為"表面電荷對(duì)半導(dǎo)體薄膜電導(dǎo)的調(diào)制"的論文[o]。斯坦福大學(xué)J.Moll(1921一2011)在1959年提出用金屬/氧化物/半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性測(cè)試技術(shù)，表征熱氧化生長(zhǎng)的SiO2特性，研究SiO2/Si界面狀態(tài)和改進(jìn)硅氧化工藝途徑。MOSC-V測(cè)試技術(shù)至今仍是分析介質(zhì)及其與半導(dǎo)體界面質(zhì)量的有效方法。硅表面與界面研究為發(fā)展 MOS晶體管和集成電路制造工藝奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。

1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室的D.Kahng(1931一1992)和M.Atalla(1924一2009)利用硅襯底和熱生長(zhǎng)SiO2研制成功MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1962年Fairchild公司和美國(guó)無(wú)線電公司(RadioCorporation of America,RCA)分別研制成功商用PMOS和NMOS晶體管。1963年Fairchild公司的F.M.Wanlass(1933一2010)與C.T.Sah(薩支唐,1932一)提出了由NMOS和PMOS晶體管構(gòu)成的互補(bǔ)型金屬/氧化物/半導(dǎo)體(CMOS)倒相器電路。由于MOS結(jié)構(gòu)器件所特有的高集成度等特點(diǎn),MOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)得到迅速發(fā)展[]。特別是CMOS器件,有賴于其突出的低功耗優(yōu)越性,已發(fā)展成為現(xiàn)今微電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。在晶體管和集成電路發(fā)展初期的另一項(xiàng)重要發(fā)明,是浮柵晶體管結(jié)構(gòu)。1967年Kahng和S.M.Sze(施敏,1936一)發(fā)明了可用于存儲(chǔ)器的浮柵技術(shù)[2]，成為數(shù)十年來(lái)非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件技術(shù)迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。