芯片制造-半导体工艺教程
室。虽然他的实验室未能幸存下来，但是它在西海岸建立了半导体制造业并为后来著名的硅谷的奠定了基础。贝尔实验室对它的半导体技术授以许可证并转给制造公司, 这促进了半导体工业的腾飞。
早期的半导体器件是用锗材料来制造的。得州仪器公司在1954年引入了第一个硅晶体管改变了这一趋势。而在1956和1957年贝尔实验室的两个技术进步，扩散结和氧化掩膜平息了哪种材料会占主流的问题。
氧化掩膜的发展带来了硅的时代。二氧化硅（SO2）可在硅表面上均匀地生成，并且有和硅相近的膨胀系数，使得在进行高温处理时不会出现翘起变形， 二氧化硅还是绝缘材料可在硅表面上充当绝缘物。另外，它对形成N和P型区所需的掺杂物有良好的阻挡作用。
由于这些技术的进步，Fairchild Camera在1960年引入了平面技术。使用上面提到的技术可在制造过程中形成（扩散）和保护（二氧化硅）PN结。氧化掩膜的发展也使得可通过晶圆的表面形成两个PN结（图1.26），也就是它们都在一平面中。这种工艺将半导体技术引入了Robert Noyce的用薄膜连线的时代。
通过刻有图案的氧化层对晶圆参杂
金属导电层
图1.25 基本的硅平化工艺
双极型晶体管
外延层
晶圆
1.26 在外延层上形成的两次渗透的双极型晶体管
贝尔实验室又构思出了在晶圆的表面沉积一层称为外延层的高纯度膜，再在其上形成晶体管的技术（图1.27），使用这种技术可制做出更高速度的晶体管，并提供了一个使得在双极电路中元件封装更紧密的方案。 五十年代的确是半导体发展的黄金时期，几乎所有基本的工艺和材料都是在这个非常短的时期内开发出来的。在这十年里，由开始用锗材料制造小量的简单器件，发展到奠定了半导体未来的第一块集成电路和硅材料的基础。
工艺的十年(1961-1970)
二十世纪六十年代是工艺工程师和公司创建的时代。在五十年代价格下降的趋势
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就开始形成了，在六十年代, 涌现出许多新的芯片制造商，这使得工艺工程师需要开发高产量的工艺来制造低价格的芯片。在这十年里，技术随着工程师在硅谷、波士顿的128号路区域以及得克萨斯州的不同公司间的流动而传播。
在五十年代, 多数的半导体制造设备是由芯片制造商内部制造或改装的，同样，多数的化学品也是在按工业级水平采购而后在内部进行 ―清洁‖。 到了六十年代，芯片制造厂的数量猛增，并且工艺接近了吸引半导体特殊供应商的水平。 五十年代的许多关键人物创建了新公司。Robert Noycee 离开了Fairchild 建立了英特尔（与Andrew Grove，Gorden Moore一起）, Charles Sporck也离开了Fairchild开始经营国家半导体公司，Signetics 成为了第一家专门从事IC制造的公司。新器件设计通常是公司开始的动力，然而, 价格的下跌是一个残酷的趋势，会将许多新老公司驱逐出局。
价格的下跌由于1963年时的塑封在硅器件上的使用而加速，也在同一年，RCA宣布开发出了绝缘场效应管（IFET），这为MOS工业的发展铺平了道路。RCA还制造出了第一个互补型MOS（CMOS）电路。 在七十年代，半导体制造从实验室小批量发展到了生产线的大批量制造，也形成了产量与利润之间的关系。
产品的十年（1971-1980）
在二十世纪七十年代的开始，半导体IC的制造主要在MSI的水平，向有利润并高产的LSI的发展在某种程度上受到了膜版引起的缺陷和由接触光刻机（Conact Aligner）造成的晶圆损伤的阻碍。事实上，现存的所有工艺在一方面或另一方面都代表着是更高水平电路产品的量产的障碍。
PERKIN和ELMER公司开发出了第一个实际应用的投射光刻机，从而解决了膜版和光刻机的缺陷问题。在这十年中，洁净间的结构和运行得到了提高，并出现了离子注入机, 用于高质量膜版的E-BEAM机, 用于晶圆光刻的膜版步进式光刻机（Stepper）开始出现。
工艺过程的自动化从SPIN/BAKE和DEVELOP/BAKE开始，从操作员控制发展到工艺过程的自动控制提高了产量和产品的一致性。对基于设备的工艺的依靠使得半导体工业水平上升到新高度，工业的销售额上升至每年100亿美元。 当工艺与设备结合时，这个时期的发展就面向了全世界，随着工艺的提高对固态器件物理有了更细致的理解，这使得全世界学习这一工艺的学生，未来的工程师们也掌握了这一技术。
自动化的十年(1981-1990)
来自市场的压力成为工艺过程自动化首要动力，其次是越来越多的工艺步骤。特征图形尺寸的每次减小都会带来新问题，如更多的金属层要求更多的工艺步骤。
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机器会按照预先设好的步骤自动处理晶圆，然后再回到传输器中。大多数的工艺实现自动化后，在二十世纪八十年代的焦点是在如何生产区域去掉操作工和如何实现材料的自动运输。由于人是主要污染源，所以要求将操作工减到最少；最严密的规程也不能控制人员搬移晶圆时产生的微粒污染，这些问题将在第4章中做详细介绍。单个工艺的自动化使半导体工业面临开发在各种机器间传输晶圆的方法的挑战。 这方面的问题成了自动化十年的重点，以达到无人化的目标。 当大多数工业向制造标准化发展的时候，半导体工业却正好相反。虽然大多数晶圆厂具有较好的控制和特性，但同时, 各种趋势促使制造商设计更加复杂的芯片，新设计又给制造商提出新的挑战而导致新工艺的开发。在这些精密复杂的水平上，就需要机器的自动化来完成工艺控制和重复性。 二十世纪八十年代开始时美国和欧洲占统治地位，日本半导体生产商的崛起，半导体工业成为世界范围的工业，随之而来的是―四小虎‖香港, 台湾, 新加坡和南韩半导体工业的发展。
产品的纪元(1991-2000)
从二十世纪七十到八十年代, 1微米特征图形尺寸的障碍显示了机遇和挑战，机遇是指这会是一个具有极高的速度和存储能力芯片的纪元。挑战是传统光刻由于增加的表面步骤、新增层和晶圆尺寸增大造成的局限。1微米的障碍是在实验室突破的，到1990年50%的生产线在生产微米级和低于微米级的产品。7 工业发展到了成熟后，更多传统上的重点被放在生产和市场问题上。早期的盈利策略是走发明的途径，也就是总要把最新和最先进的芯片抢先推向市场，以获得足够的可支付研发和设计费用的利润。这种策略带来的利润可以克服良品率和低效率的问题。 工艺控制上的技术（竞争）和改进的传播把更多工业的重点转移到了产品问题上。几个主要的产能因素是：自动化、成本控制、工艺特性化与控制及人员效率。 控制成本的策略包括：设备成本关系的详细分析；新厂的布局（如集束机器）；自动化机械手；晶圆隔离技术（WIT）；计算机集成制造（CIM）；先进完善的统计工艺控制；先进的测量仪器；及时库存系统, 及其它（见15章）
技术推动的因素, 特征图形尺寸减小, 晶圆尺寸增大, 和良品率的提高都存在客观的和统计上的限制。但是产能的提高（包含许多因素）是持续获利的源泉。晶圆工厂的投资巨大（10-30亿美元），其设备和工艺开发同样耗资巨大。在研发0.35微米以下的技术时，X-RAY和深紫外光（DUV）光刻或传统的光刻的改进都是巨大的花费，同样, 在生产中也花费巨大。 这并不是说技术进步停止了，正相反，许多在十年中会用到的技术还是未知或处在非常原始的发展状态。技术的提高正在变成演化性的而不是革命性的。工程师正在学会如何在以技术飞跃来解决问题之前，从工艺过程中挖掘生产力。这是工业成熟的另外一个信号。
可能这十年的主要技术改变就是铜连线。铝连线在几个方面显现出局限性，特别是和硅的接触电阻。铜是一种较好的材料但它不易沉积和刻蚀，它如果接触到硅会对电路造成致命的影响。IBM8开发出了可实用的铜工艺，并在90年代末几乎立刻被业界接受。
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极小的纪元
微观技术在公众的感觉中意味着 ―小‖，在科学中是指十万分之一。因此，特征图形尺寸和栅极的宽度以微米来表示，如 0.018微米。纳米正在被广泛使用，上述的栅级宽度则为180纳米。9
在半导体协会1997年的国家技术发展路线图（National Technology Roadmap for semiconductors，NTRS）中，对半导体通向极小纪元的道路作了描绘。栅极的宽度到2012会达到50纳米，但这并不容易实现。随着器件尺寸变的更小会有一系列可预见的事情，优点是更快的运行速度和更高的密度。然而, 更小的尺寸要求更精密的工艺和设备。栅极区域是MOS晶体管非常关键的部分。 更小的栅极更易受污染的干扰，这将推动更洁净的化学品和工艺的发展。低度的污染要求更敏感的测量技术，表面的粗糙度也成为一个要控制的参数。随着器件之间的更加紧凑，需要更多层的金属连线层结构，而同时，要保持表面足够平以满足光刻的要求，这给平面技术带来了一定的压力。更多层的金属连线会带来更高的电阻。新金属材料，如铜也就成了需要。要取得这些进步就需要更洁净的制造厂，极为纯净的材料和化学品以及集束设备的使用，将对污染的暴露减至最小和并提高生产效率。
晶圆的直径将会达到450毫米以上，工厂的自动化水平也将遍及到机器之间，并且带有集成的工艺监测系统。更多高水平的工艺将会要求更高产量的晶圆制造厂，这些厂的成本到2005年将达到100亿。10来自巨大投资的压力迫使研发和建厂的速度更快。
到2012年, 半导体工业和集成电路会与现今大不相同，并将到达硅晶体管基本物理上的极限。随着许多对低端技术新用途需求的不断出现，硅工业还将会活跃，例如烤面包机和电冰箱不太可能使用最新的尖端产品。新材料会在实验室出现，混合物半导体，如镓/砷化物（GaAs）就是候选。技术如分子束（MBE）（12章）可能被用来一次一和原子的方式制作新材料。
可以毫无疑问地说随着材料和工艺的不断向前推进，半导体工业将继续是主导工业，也还可以毫无疑问地说IC的使用将继续以未知的方法改变我们的世界。
关键术语和概念
固体器件 集成电路
二极管 集成度/电路密度 电容 平化处理（工艺） 电阻 半导体制造的四个阶段 晶体管 芯片尺寸
分立器件 特征图形尺寸 晶圆 半导体材料 价格侵蚀 混合电路
复习问题
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