1947年12月16 日美國貝爾(Bell)實驗室的J.Bardeen(1908-1991)和W,Brattain(1902一1987)研究成功一種嶄新的電子器件----半導體晶體管。他們發(fā)明的晶體管原形是一個點接觸三極實驗型固態(tài)器件,如圖1.1所示。他們利用半導體鍺晶體,在人類歷史上首次試驗成功一種具有信號放大效應的固態(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,電子器件領域的最重要講展。與發(fā)明者在同一實驗室工作的工程師J.R.Pieree(1910一2002),為這種剛"出世"的固態(tài)器件創(chuàng)造了個新詞"transistor"。據(jù)說,現(xiàn)今通用的中文譯名"晶體管"為錢學森所建議。由于這種器件具有與當時真空三極管相類似的三電極結構和電學特性,Bardeen和 Brattain撰寫的有關此新器件的論文題目為"晶體管----一種半導體三極管"[1]。1947年12月23日他們向貝爾實驗室高層管理人員展示了這一發(fā)明。次年6月在這項劃時代發(fā)明獲得專利后,Bardeen和 Brattain才把他們的論文發(fā)表,并由貝爾實驗室向世人宣告晶體管的發(fā)明。1897年英國科學家湯姆孫(J.Thomson，1857一1940)發(fā)現(xiàn)電子50年后,晶體管發(fā)明開創(chuàng)了半導體器件、電子學和信息科學技術的新紀元。

早在真空電子器件之前，1874年就有人發(fā)現(xiàn)，金屬與半導體硫化鉛形成的金半接觸具有整流特性。20世紀前期曾用氧化亞銅、硒等半導體材料制成金半接觸整流器。20世紀30年代研制出金屬點接觸硅二極管,用于制作高頻檢波電路,在無線電和雷達接收機中得到有效應用。第二次世界大戰(zhàn)后,隨著電子技術發(fā)展,研制具有信號放大等更強功能的固態(tài)器件,成為半導體研究領域的迫切課題。20世紀30和40年代半導體科學在量子力學能帶理論基礎上取得重要進展，人們對半導體導電機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)科學研究者力圖探索與研制具有電信號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就在貝爾實驗室從事半導體器件有關研究,戰(zhàn)爭使他們的研究中斷。戰(zhàn)后1945年他們返回貝爾實驗室，進一步開展半導體器件技術研究,Bardeen也加入他們的研究團隊。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，他們曾力圖應用場效應研制固體放大器件的設想未能如愿,卻促使Bardeen和Brattain深入研究半導體表面和界面效應。正是在研究半導體表面和金屬/半導體接觸特性的過程中,Bardeen和Brattain發(fā)現(xiàn)了晶體管效應，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)明點接觸晶體管的實驗裝置中，一塊n型鍺晶體置于金屬導體電極上，鍺表面上有兩個金箔接觸點,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)的兩個電極,兩者都和n-Ge形成肖特基勢壘接觸結,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個電極分別用導線連接到電源,形成共基極電路。Brattain和Bardeen應用這樣巧妙而簡捷的實驗裝置，在發(fā)射結正偏壓與集電結反偏壓條件下，發(fā)現(xiàn)并驗證了晶體管放大效應。

Shockley(1910一1989)雖然并未直接參與上述點接觸晶體管發(fā)明，但他在晶體管原理研究和技術發(fā)展中發(fā)揮了獨特作用。他不僅是當時貝爾實驗室半導體研究的領導者,而且在Bardeen和Brattain試驗成功晶體管后,對半導體pn結電流電壓特性的物理機制和晶體管基礎原理進行了開創(chuàng)性理論研究,并發(fā)明了由兩個pn結構成的半導體晶體管[5]。Shockley在1949年7月發(fā)表題為"半導體pn結和晶體管理論"的論文，與他在此期間前后發(fā)表的其他相關著作一起,奠定了雙極型晶體管的理論基礎[6,7]。因此,Bardeen、Brattain和Shockley 3人共同獲得1956年諾貝爾物理學獎。

直到20世紀50年代中期,電子技術發(fā)展主要還是依賴真空電子器件。1955年舉行首屆國際電子器件會議(ITEDM),在9個分組研討專題中，僅有3個與半導體器件技術相關,其余皆為真空管相關技術。此后，半導體器件逐漸成為電子技術研發(fā)主流。與真空電子管相比,半導體晶體管具有體積小、重量輕、可靠性高、制造工藝簡捷等顯著優(yōu)越性。1948一1958年半導體單晶制備和晶體管制造技術得到迅速發(fā)展。由初期的金屬點接觸晶體管與合金法pn結晶體管制備工藝,逐步演進到應用雜質擴散工藝,使晶體管性能顯著改善。1956年貝爾實驗室用擴散工藝研制成功二極管和晶體管。早期半導體材料中純度和單晶質量最好的是鍺,二極管和晶體管等器件的最初實驗研究多應用鍺單晶襯底。隨著硅單晶制備技術的進步,硅器件制造技術開始加速發(fā)展。1954年美國德克薩斯儀器公司(TI)研制成功硅晶體管。用硅與錯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)模和應用領域開始迅速擴展。

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，成為固體器件技術領域先行者們所關注的課題。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南方炎熱夏季，他獨自在實驗室進行的開創(chuàng)性研究，導致第一塊集成電路誕生。與當時他人選擇的混合集成方案不同,Kilby堅持采用單片方案,即晶體管和電阻電容等都制作在半導體基片上。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提出了用半導體材料制作集成電路的"小型化電子電路(miniaturized electonic circuits)"專利申請?，F(xiàn)在Kilby是公認的集成電路發(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體晶片上,但當時未能實現(xiàn)其想法。直到晶體管制造技術得到較成熟發(fā)展的6年后，他的設想才由Kiby實現(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、晶體管和電阻等用擴散方法制作,晶體管在Ge晶片上形成相互隔離的臺面結構,臺面結構系采用黑蠟保護，經(jīng)化學腐蝕形成，用細導線焊接，相連成一個電路。雖然現(xiàn)在看上去這種電路很"粗糙"，但它卻是現(xiàn)代科學技術發(fā)展史上的原創(chuàng)性重大發(fā)明之一。隨著時間推移，人們愈益認識集成電路發(fā)明的價值。40余年后的2000年,Kilby因他的發(fā)明獲得諾貝爾物理學獎。

在1960年前后，研究者發(fā)明和試驗成功多種改進晶體管和集成電路制造技術的關鍵工藝[9]。其中包括硅熱氧化工藝、反向pn結器件隔離工藝、金屬薄膜蒸發(fā)工藝等。在氧化、光刻、擴散、蒸發(fā)等工藝基礎上，美國仙童半導體公司(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,通過多項工藝有機結合,形成pn結等器件結構。Fairchild公司應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,從而促進了半導體器件主導襯底材料由鍺轉向硅的演進。平面工藝原理至今仍為集成電路制造基本技術基礎之一。

在Kilby發(fā)明集成電路和提出專利申請后不久，1959年7月Fairchild公司的RNoyce(1927-1990)也提出了應用平面工藝制造集成電路的專利申請,其名稱為"半導體器件及引線結構"(semiconductordevice-and-lead structure),并研制成功第一個硅單片集成電路,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),也可簡稱為"集成芯片"。這種平面工藝微芯片技術，促使集成電路制造工藝走向成熟，硅集成電路器件技術得以更快發(fā)展。因此，Noyce是集成電路技術與產(chǎn)業(yè)名副其實的主要奠基人之一。

1.1.3MOS集成器件技術基礎的建立

作為現(xiàn)代硅集成電路主流的金屬/氧化物/半導體場效應晶體管(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，奠定了技術基礎。在晶體管發(fā)明前后，Bardeen、Shockley等人對半導體表面和場效應理論進行了多方面理論與實驗研究。1948年Shockley發(fā)表了題為"表面電荷對半導體薄膜電導的調制"的論文[o]。斯坦福大學J.Moll(1921一2011)在1959年提出用金屬/氧化物/半導體(MOS)結構的電容-電壓(C-V)特性測試技術，表征熱氧化生長的SiO2特性，研究SiO2/Si界面狀態(tài)和改進硅氧化工藝途徑。MOSC-V測試技術至今仍是分析介質及其與半導體界面質量的有效方法。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基礎。

1960年貝爾實驗室的D.Kahng(1931一1992)和M.Atalla(1924一2009)利用硅襯底和熱生長SiO2研制成功MOS場效應晶體管。1962年Fairchild公司和美國無線電公司(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晶體管構成的互補型金屬/氧化物/半導體(CMOS)倒相器電路。由于MOS結構器件所特有的高集成度等特點,MOS超大規(guī)模集成電路技術得到迅速發(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)今微電子技術的主導器件。在晶體管和集成電路發(fā)展初期的另一項重要發(fā)明,是浮柵晶體管結構。1967年Kahng和S.M.Sze(施敏,1936一)發(fā)明了可用于存儲器的浮柵技術[2]，成為數(shù)十年來非揮發(fā)性半導體存儲器件技術迅速發(fā)展與廣泛應用的基礎。