从前IC时代到Giga bit时代，芯片制成的发展经历了哪几个阶段？

最近看科技新闻，经常看到10nm、7nm处理器工艺最新报道，14/16nm才经历了两代产品的更替，不禁感叹芯片制程的发展日新月异。一直以来的半导体行业，尤其是处理器的工艺制程和架构都是技术宅所关心的内容，Intenl主席戈登·摩尔曾经在1965年提出著名的摩尔定律，指出集成电路中晶体管和电阻器的数量每年可以翻一番（1975年修正为18个月），要求晶体管的尺寸不断减小，Intel公司曾提出在2022年实现4nm制程的目标。半导体制程技术具体经历那些发展过程又出现过哪些关键技术突破，小编在此为大家梳理一下，如有纰漏，敬请指正。

芯片制程发展

图片来源：电子工程网

按照时间划分，芯片制程可分为前IC时代(1950年前)、IC时代(1960年代)、LSI时代(1970年代)、VLSI时代(1980年代)、亚微米VLSI时代(1990年代)、Giga bit时代(2000年后)，下面具体介绍每个阶段的技术特征和发展。

 

1

前IC时代

1947年贝尔实验室发明了晶体管，是微电子技术历史上的第一个里程碑。结型晶体管和场效应晶体管的诞生催生了集成电路的发明和发展，当时半导体基板材料为锗，加工锗的各种技术，都以量产为立足点。制程技术包括使用炉管的热处理、去除污染、蚀刻、电镀等等。在1950年代末急速进展，材料从Ge转为Si，相应制程技术也转变为以硅为主，进入IC时代。

世界上第一个晶体管(1948, Bell Lab)

图片来源：中国数字科技馆

 

2

IC时代

IC时代重要的发展之一就是引进光微影技术(photolithography)。使用光罩的图案转写技术引进IC的制造工程。从制程技术面而言，本时代诞生了微影制程、平面技术的开发、表面安定化技术。此外，1963年F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，目前多数的集成电路芯片都是基于CMOS工艺。

 

3

LSI时代

1971年，Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志进入大规模集成电路时代（LSI），继而推出采用MOS工艺的全球第一个微型处理器4004。紧随其后的16kb和64kb的动态随机处理器相继诞生，不足0.5平方厘米的硅片集成了14万个晶体管，半导体制程技术进入飞速发展阶段。这一时期所开发的制程技术，最为注目的就是LOCOS(Local Oxidation of Silicon)构造。采用选择性氧化法的隔离构造，也是目前广泛应用的技术。

 

LOCOS制程流程

图片来源：公开资料

4

VLSI时代

1980年代，随着DRAM的量产及高密度化的进展，DRAM成为半导体制程技术的驱动力。本时期的最小图案尺寸为1μm，随着步进机的必要性，制程同时往干式化进展。特别是过去使用的蚀刻技术，从湿式制程转为使用电浆的干式制程，干式法可提升图案转写的精确度，提高再现性。组件技术方面，从双极性转移至CMOS，数字用的IC以及LSI几乎都是用CMOS构造制作而成。1988年16M DRAM问世，1平方厘米的硅片上集成3500万个晶体管，进入超大规模集成电路阶段。

表1、干式蚀刻与湿式蚀刻技术特点

湿式蚀刻	干式蚀刻
产生污染、不易控制过程、损害光阻密着性、反应生成物难分离、随时控制溶液状态（组成、温度等）、蚀刻图案难以控制、最终检测困难、加工对象物受限、不适用制备微细图案	无污染、过程容易控制、保有光阻的密着性、反应生成物脱离容易、气体较易控制、精密控制图案、最终检测容易、加工对象多样、使用精细图案形成
无需真空、选择比限制较少、无辐射损害	需要真空、选择比限制较多、可能产生辐射损害或污染

5

亚微米VLSI时代 

此时芯片尺寸持续减小，最小加工尺寸为1μm以下，硬件的进步持续推进。相对于“DRAM的日本”而言，韩国和中国台湾的半导体产业也在急速成长。台湾的半导体主要以代工厂方式为主，成功扮演半导体生产基地的角色。制程技术的主题为制程整合概念的渗透，W插塞(plug)构造的流程，是制程整合的典型例子。CMP（化学机械抛光）技术也在本时期确立为基本制程之一。典型产品为奔腾3代处理器，采用0.25μm工艺，后进一步降低至0.18μm。

 

CMP技术示意图

图片来源：中翰国际科技

6

Giga bit时代 

21世纪迈入Giga bit的时代，最小加工尺寸大幅减小，从0.18μm→0.13μm→0.1μm，尺寸的表示也从μm转变为nm。尤其是近十年来，尺寸更是缩减至96,65,45,32nm，因此，引进新制程、新材料是不可或缺的工作。新的技术包括铜配线、low绝缘膜、强诱电体(强介电常数)内存相关材料、高诱电率闸极绝缘膜等，其他周边制程与设备的开发也受到冲击。

三星在20/22nm上两款经典处理器为Exynos 5430和Exynos 7（7410），也就是分别搭载在三星Galaxy Alpha和三星Note 4上面的两颗处理器，三星也是从这个时候开始赶上台积电和Intel，不久后和台积电、Intel同时迈进14/16nm工艺制程节点。由于历史原因，20/22nm并没有什么工艺分类，很快就被14/16nm取代了，台积电采用了16nm，三星和Intel采用了14nm。

 

值得一提的是，在20/22nm工艺节点上，Intel引入了3D FinFET这种技术，三星和台积电在14/16nm节点上也大范围用上了类似的FinFET技术。FinFET（Fin Field-Effect Transistor），为鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体（CMOS）晶体管，把芯片内部平面的结构变成了3D，降低漏电率同时又能够增加晶体管空间利用率。

 

FinFET模型

图片来源：finfet technology