擴散等晶體管制造技術逐漸走向成熟，為集成電路發(fā)明及其制造工藝發(fā)展奠定了基礎。本節(jié)將簡要討論集成芯片制造技術賴以快速演變與升級換代的平面工藝技術，分析集成芯片不同電路類型演進創(chuàng)新與制造工藝技術進步的密切關系。

4.2.1平面工藝技術的發(fā)明

20世紀50年代后期,擴散技術與同時研究成功的硅熱氧化、光刻、熱蒸發(fā)鋁膜等技術相結合，孕育出平面工藝技術(planar process technology)。平面工藝是由美國仙童半導體公司的J.A.Hoerri最先提出的[.3.4]。圖4.4為應用平面工藝制造硅晶體管的示意圖。通過高溫氧化在n型硅片表面生長一層SiO2，其厚度可由氧化溫度與時間控制，如圖4.4(a)所示;接著用光刻方法把基區(qū)上面的SiO2層去除,如圖4.4(b)所示;然后進行p型雜質高溫擴散,只有基區(qū)范圍才有雜質擴散進硅片，周圍區(qū)域為SiO2所掩蔽，雜質不能進人，擴散通常在含O2氣氛下進行，故形成基區(qū)的同時也生長一層SiO2，如圖4.4(c)所示;這層氧化硅可作為發(fā)射區(qū)的掩蔽膜,經(jīng)光刻(見圖4.4(d))和n型雜質擴散,形成發(fā)射區(qū)(見圖4.4(e));光刻開出所需要的電極接觸孔(見圖4.4(f));最后應用蒸發(fā)工藝在硅片上淀積鋁膜,再用光刻方法去除電極區(qū)以外的鋁膜,形成相互隔離的基極和發(fā)射極，如圖4.4(g)所示。在分立晶體管器件中，集電極制作在硅片背面,在集成電路中，通過必要工藝，集電極也可從硅片正面引出。

在上述晶體管制造過程中,應用SiO2SiO氧化、光刻、擴散、薄膜淀積等基本工藝有機結合,在硅片表層平面進行各-Si-Si種加工,形成的器件表面基本上也是平坦的,故稱平面工藝。平面工藝可使晶體管的圖形尺寸得到精確控制，-Si便于改進器件性能和大量生產(chǎn)，為器件微小型化和集成電路的發(fā)展創(chuàng)造了條件。在用平面工藝制造的晶體管中,集電結和發(fā)射結的pn結邊界n-Si都在氧化硅掩蔽之下，不像在前面3種方法制造的晶體管中暴露于外面氣氛。因此,平面工藝晶體管的漏電很小,性能顯著改善。平面工藝促使硅器件制造技術趨于成熟,硅器件生產(chǎn)、應用和市場迅速擴大。到1966年硅晶體管的產(chǎn)量大幅度超過了此前占半導體產(chǎn)品主導地位的鍺器件。平面晶體管所有電極都從硅片上表面引出,為器件互連集成創(chuàng)造必要條件。逐步完善的平面工藝至今仍是超大規(guī)模集成電路制造的基礎技術。

4.2.2 工藝技術進步與集成電路類型演變

在集成電路技術發(fā)展過程中，工藝技術是最為活躍的因素，它的快速持續(xù)進步促使集成芯片的電路類型、形式逐漸演變和創(chuàng)新。在雙極型數(shù)字邏輯集成電路領域,隨著平面工藝為基礎的各項集成芯片加工工藝的完善，早期曾先后發(fā)展了電阻-晶體管邏輯電路(RTL)、二極管-晶體管邏輯電路(DTL)、晶體管-晶體管邏輯電路(TTL)、肖特基二極管位晶體管-晶體管邏輯電路(STTL)、低功耗肖特基二極管位晶體管-晶體管邏輯電路(LSTTL)、發(fā)射極耦合邏輯電路(ECL)、集成注人邏輯電路(IL)等多種類型的集成電路技術。在 MOS集成電路領域,則先后發(fā)展了PMOS、NMOS和CMOS器件。某種電路類型的出現(xiàn)、發(fā)展與消亡,都與當時的集成芯片制造工藝水平密切相關。存儲器件和模擬集成電路也隨硅工

藝技術進步不斷演變升級。雖然早在1928年就有人提出絕緣柵場效應晶體管的設想,而且第二次世界大戰(zhàn)后貝爾實驗室Shockley領導的研究組,曾極力研制的固體器件目標就是場效應器件，但1947年底的劃時代發(fā)明卻是雙極型晶體管。隨后早期研制成功的各類晶體管和集成電路也都是雙極型器件。這都是由當時的半導體加工工藝技術水平所決定的。在硅表面處理工藝和優(yōu)質二氧化硅柵介質生長工藝較為成熟以后，自20世紀60年代，MOS場效應晶體管和集成電路才開始得到實質性發(fā)展[8.9。盡管人們早就清楚，由于電子遷移率大大高于空穴遷移率，NMOS集成電路的速度等性能應遠優(yōu)于PMOS器件，但最先走向生產(chǎn)和市場的，卻是PMOS大規(guī)模集成電路。這也是因為NMOS器件對柵氧化層制備等工藝的要求更高。

4.2.3 歷史上先后發(fā)展的LSI/VLSI芯片工藝

集成電路工藝技術進步的基本目標,是實現(xiàn)電子器件的高集成度、高速度、高可靠性和低功耗。集成電路于1958年問世后,經(jīng)過最初20余年以平面工藝為中心的光刻、氧化、擴散等多種硅加工技術的迅速發(fā)展,到20世紀80年代初,器件集成度、速度、可靠性都有大幅度提高,逐步發(fā)展了多種大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制造技術，包括PMOS、NMOS、CMOS、標準雙極型、集成注人雙極邏輯電路(I2L)和互補雙極-CMOS集成電路(BiCMOS)。這些集成電路技術各有特點,在微電子技術發(fā)展中發(fā)揮了各自作用[O。PMOS是最早大量生產(chǎn)的商用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術。其主要優(yōu)點是集成度高,缺點是速度較慢。它在早期的袖珍式計算器、電子游戲卡、玩具集成電路等領域有廣泛應用。NMOS集成電路集成度高,其速度顯著高于PMOS,在80年代初期已成為當時超大規(guī)模集成電路的主流技術,應用于DRAM、微處理器等芯片制造。PMOS與 NMOS電路功耗顯著低于雙極電路。在MOS集成電路制造工藝技術不斷完善的基礎上，由NMOS和PMOS有機組合形成的CMOS超大規(guī)模集成電路,在80年代中期以后得到迅速發(fā)展,很快成為半導體主導制造技術。CMOS器件的最突出優(yōu)勢,在于其低功耗特性，比所有其他類型半導體器件都顯著降低。隨著器件持續(xù)微小型化進程,CMOS電路的速度也不斷

提高。與MOS電路相比，雙極型集成電路功耗大，其集成密度也低。但由于它的高速度優(yōu)越性，雙極型大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路也曾是微電子器件主導技術之一，直到20世紀80年代，一直為組裝高速大型計算機提供芯片。為克服集成度低、功耗高的缺點，20世紀70年代曾發(fā)展一種與標準結構雙極型晶體管不同的雙極型器件集成技術，被稱為集成注入邏輯電路(IL)。這種器件把標準硅npn晶體管結構的集電區(qū)與發(fā)射區(qū)倒換,形成其發(fā)射結與集電結,并應用橫向pnp晶體管，構成不需要隔離區(qū)的邏輯門電路，使集成度提高和功耗下降。IL電路曾在某些消費電子產(chǎn)品中得到部分應用,但由于其速度顯著低于標準雙極晶體管，未能成為集成電路主流技術。

結構和性能互補常常是實現(xiàn)技術創(chuàng)新的有效途徑。NMOS與PMOS結合形成的互補MOS(CMOS),創(chuàng)造了低功耗高集成度電路。在不斷追求高速度的集成電路發(fā)展過程中，人們自然會想到,能否把高速雙極型與低耗CMOS兩者相結合，組成一種既具有高速度又保持低功耗的高密度集成電路。這種雙極與CMOS器件互補的BiCMOS集成電路,在雙極和MOS工藝都已相當成熟的基礎上，逐步得到發(fā)展。20世紀80年代末至90年代初一段時期,不少人曾把發(fā)展高性能集成電路的希望放在BiCMOS器件技術上，并研制成功一系列BiCMOS集成電路。但BiCMOS電路需要應用雙極與CMOS兩種工藝相兼容的器件制造技術，工藝復雜性大大增加,其發(fā)展受到限制。在微處理器等邏輯電路中已逐漸減少應用BiCMOS技術,但在移動通信射頻電路等超高頻器件領域,BiCMOS集成技術還有某些應用。為提高器件工作頻率,鍺硅異質結晶體管技術也已集成到BiCMOS器件工藝中。