庫易網乾貨：IC技術發展簡史（上 1940-1970）

1940s - 起步階段 - 原創性的發明使得集成電路技術成為可能

●1940 - PN結（junction）

雖然早在1833年法拉第就已經發現化合物半導體的特性，1873年W.Smith使用硒製造出工業整理器和早期的光電器件，1874年德國物理學教授 Feidinand Braun觀察到金屬絲-硫化鉛的整流特性並在其後用作檢測二極體。

但是直到20世紀40年代，貝爾實驗室（Bell Labs）的Russel Ohl才開發了第一個對集成電路來講具有嚴格意義上的PN結（junction）：當該PN結暴露在光源下的時候，PN結兩端產生0.5V 的電壓。

順便提一句，那個時代Bell實驗室在材料研究上具有很強大的力量，正是這個領導力量開創了半導體技術的紀元。

●1945 - 三極體（Transistor）發明

1945年，Bell Labs建立了一個研究小組探索半導體替代真空管。

該小組由William Shockley領導，成員包括John Bardeen、Walter Brattain等人。

1947年Bardeen和Brattain成功使用一個電接觸型的「可變電阻」-即今天被稱為三極體「Transistor」的器件得到放大倍數為100的放大電路，稍候還演示了振蕩器。

1948年，Bardeen和Brattain提交了一份專利申請並在1950年被授予 Bell Labs - 這就是美國專利US2,524,035, "Three Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials".

●1950s 集成電路雛形 - 集成電路出現

●1951 - 發明結型三極體（Junction Transistor）

1951年，William Shockley推出了結型電晶體技術，這是一個實用的電晶體技術，從此難以加工的點接觸型電晶體讓位於結型電晶體，在20世紀50年代中期，點接觸型電晶體基本被替代。

1954年電晶體已經成為電話系統的必備元件，Bell實驗室在生產電晶體的同時也向其他公司發放生產許可並從中提成（royalty），在這個時候，電晶體開始進入無線電和助聽器領域。

1956年，由於電晶體發明的重要性，Bardeen、Brattain和 Shockley被授予諾貝爾獎（Nobel Prize）。

1952 - 單晶矽（Single crystal silicon）製造技技術。

●1952 - 集成電路（Integrated Circuit - IC）的概念提出

1952年5月7日，英國的雷達科學家 Geoffrey W.A. Dummer在華盛頓特區提出了集成電路的概念，即文章"Solid block [with] layers of insulating materials". 1956年的嘗試以失敗結束，但是作為提出IC概念的先驅，Dummer是IC史冊不可缺的一頁。

●1954 - 第一個商業化的電晶體

1954年5月10日，德州儀器（TI）發布了第一款商用的電晶體 -Grown-Junction Silicon Transistors。

電晶體通過在矽晶體表面切割一個矩形區域獲得，矽晶體通過含雜質的熔化爐生長得到。

矽電晶體和鍺電晶體相比，具有廉價和高溫特性好的優點。

1954 - 氧化、掩膜工藝（Oxide masking）

Bell實驗室開發出氧化（oxidation）、光掩膜（photomasking）、刻蝕（etching）和擴散(diffusion）工藝，這些工藝在今天的IC製造中仍在使用。

1954 - 第一個電晶體收音機問世。

工業開發工程師協會（Industrial Development Engineer Associates）設計並生產了世界第一個電晶體收音機 - Regency TR-1，它使用4個德州儀器（Texas Instruments）製造的鍺（Germanium）電晶體。

●1955 - 第一個場效應電晶體問世。

又是Bell實驗室的傑作。

●1958 - 集成電路被發明

1958年7月24日，德州儀器（Texas Instruments）的雇員Jack Kilby，在筆記本中寫道：如果電路元件，比如電阻，電容可以使用同種材料製造，則有可能將整個電路加工在單個片子上「single chip「。

當時的真空條件很差的情況下，Kilby於當年的9月12日製造了具有5個集成元件的簡單振蕩電路，1959年Kilby提交了專利申請 US3,138,743："Miniaturized electronic circuits"並獲得授權。

2000年Kilby和其他兩位物理學家一起分享了諾貝爾物理獎。

●1959 - 平面技術（Planar technology）問世

Kilby的發明存在嚴重的缺陷：電路的元件依賴於金絲連接，這種連線上的困難阻礙了該技術用於大規模電路的可能。

直到1958年後期仙童（Fairchild）公司瑞士出生的物理學家Jean Hoerni開發出一種在矽上製造PN結的結構，並在結上覆蓋了一層薄的矽氧化層作絕緣層，在矽二極體上蝕刻小孔用於連接PN結。

Sprague Electric捷克出生的物理學家Kurt Lehovec開發出使用PN結隔離元件的技術，這個問題才得以解決：1959年，也是仙童公司雇員的Robert Noyce產生了組合Hoerni's and Lehovec's工藝並通過在電路上方蒸鍍薄金屬層連接電路元件來製造集成電路的想法。

平面工藝開始了複雜集成電路時代並沿用到今天。

● 1960s - 改進的產品和技術 - MOS, CMOS 和 BiCMOS, Moore's 定律

1960 - 外延沉積/注入（Epitaxial deposition）技術

Bell實驗室開發出外延沉積/注入（Epitaxial Deposition）技術，即將材料的單晶層沉積/注入到晶體襯底（crystalline substrate）上。

外延沉積/注入技術廣泛用於雙極型（bipolar）和亞微米（sub-micron）CMOS產品的加工工藝。

●1960 - 第一個MOSFET問世

Bell實驗室的Kahng製造了第一個MOSFET。

1960 - 0.525英寸矽圓片（Wafer）出現

●1961 - 第一顆商用的集成電路（IC）問世

仙童（Fairchild）和德州儀器（Texas Instruments）共同推出了第一顆商用集成電路。

●1962 - 發明TTL邏輯（Transistor-Transistor Logic）

1962 - 半導體工業銷售額超過10億美金（$1-billion）

●1963 - 第一片MOS集成電路

RCA製造出第一片PMOS集成電路 1963 - 發明互補型金屬氧化物半導體（CMOS）

仙童公司的Frank Wanlass提出並發表了互補型MOS（complementary-MOS - CMOS）集成電路的概念。

Wanlass最初意識到由PMOS和NMOS電晶體構成的電路僅需要很小的工作電流，開始他試圖給出一個單晶片的解決方案，但最終不得不以分立元件來驗證這個想法。

當時還沒有增強型（Enhancement）的NMOS管，Wanlass不得不使用耗盡型（depletion）的器件，通過將器件偏置到關斷狀態來實現電路。

CMOS的靜態電流要比等效的雙極型（Bipolar）和PMOS型的邏輯門低6個數量級，這個結果簡直是瘋狂的。

1963年6月18日，Wanlass提出專利申請，1967年12月5日獲得授權，專利號：US3,356,858，"Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry"。

今天CMOS是應用最廣泛的、高密度集成電路的基礎。

●1964 - 第一個商用的接觸印表機（contact printer）# 接觸列印技術是20世紀70年代大量使用的在集成電路WAFER表明加工圖形（patterns）的技術。

1964 - 1英寸矽圓片（wafer）出現

●1965 - 摩爾定律（Moore's law）

1965年，Gordon Moore，仙童半導體公司的研發主管，撰寫了一篇題為"Cramming more components onto integrated circuits"的文章。

文中，Moore觀察到"The complexity for minimum component cost has increased at a rate of roughly a factor of two per year"（這句話不譯，實在是因為中文流傳的表述太多了，無論寫哪一種譯法都難免讓知道這個定律一種表述的人產生不嚴肅的想法-以為我譯錯了，反正這句英文也不難懂），這就是著名的摩爾定律：每年晶片的元件數量要翻一翻，後來這一表述又修正為每18個月晶片的元件數量翻一翻。

值得一提的是，直到今天，摩爾定律仍符合半導體行業發展的現狀-真是人有多大膽，地有多大產。

1965 - 100位的移位寄存器（100-bit shift register）

在這年，具有600個電晶體的100位移位寄存器-GME，160個電晶體的21位靜態寄存器-GI，150個電晶體的二進位-十進位（Binary-Digital）解碼器-TI，誕生了。

●1966 - 16位的雙極型存儲器（memory）

IBM在為NASA開發的360/95系統上使用了一種16位的雙極型存儲器。

1966 - 第一塊雙極型的邏輯

摩托羅拉（Motorola）推出了第一塊具有3個輸入的發射極耦合邏輯（Emitter-Coupled-Logic - ECL）的門集成電路。

1966 - 發明單電晶體動態存儲器（DRAM）單元。

IBM的Robert Dennard博士參加了一個薄膜磁存儲技術的座談，薄膜磁存儲技術組使用了一塊小磁體和鄰近的一對信號線實現1個比特（二進位位）的存儲，幾個月後 Dennard博士提出一個二進位位可以存儲在電容上，一個場效應管（FET）可以用於控制充放電。

單電晶體的DRAM單元出現了，所有現代的DRAMs 都是基於1個電晶體實現的。

1966 - 1.5英寸的矽圓片開始使用

●1967 - 浮柵（Floating gate）技術出現

Bell實驗室的Kahng和Sze在Bell的技術雜誌上闡述了在存儲技術中使用浮柵其間的方法，今天浮柵技術是製造EEPROMs的通用技術。

1967 - NMOS技術

Wegener、Lincoln、Pao、O'Connell和Oleksiak發布了NMOS電晶體及其在存儲技術中的使用，浮柵技術開始用於EEPROMs的製造。

●1968 - 64位雙極型陣列（array）晶片

IBM在其360/85系統中使用了64位雙極型陣列作為高速緩存，該晶片具有64個存儲單元和664個器件。

●1969 - 發明了BiCMOS

Lin、Ho、Iyer和Kwong在IEDM發表了"Complementary MOS-Bipolar Transistor Structure"，揭示了BiCMOS的概念。

●1970s - 驅動市場的新產品和技術

●1970 - 首個NMOS集成電路

IBM的Cogar等人完成首個金屬柵的NMOS集成電路流片（fabricate） 1970 - 首個商用的動態隨機存儲器（DRAM）：容量1Kbits（位）

●大約1969年，霍尼韋爾的William Regitz在尋求一個半導體廠商合作開發由他及其合作者一種新型的動態存儲器（DRAM）單元（Cell）。

Intel對這項技術表現出興趣，並為之啟動了一個開發計劃，最初的產品被稱為i1102。

雖然開發出了可以工作的元件，但是1102的確存在問題。

基於Ted Hoff已經做的工作，當時主要是尋求3個電晶體（Transistor）的DRAM單元結構，也許是Ted Rowe提出了埋層接觸孔（buried contact）的想法，Leslie Vadasz和Joel Karp後來又提出了其他辦法的原理圖，整個設計由Bob Abbott來完成，最終的產品是i1103並在1970年的10月份正式推向市場。

該產品存在成品率問題，產品經理John Reed不得不做了很多改進的版本直到成品率問題解決並具有良好的性能。

i1103使用6層MASK，採用8μm矽柵PMOS工藝，具有2,400μm2 的存儲單元面積，Die的尺寸差不多是10mm2，售價$21. 1970 - IBM使用半導體存儲器替代磁存儲器

IBM在其370的145型號上全部採用半導體存儲器。

●1970 - 2.25英寸矽園片使用

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