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1.1 半导体技术的发展
半导体制造技术很复杂,要求许多特殊工艺步骤、材料、设备以及供应产业。半导体产业发展的基础是真空管电子学、无线电通信、固体物理等理论。
1.2 集成时代
几个基本概念：
1. 芯片（chip）：由半导体材料生产的半导体器件集合体。
2. 衬底（substrate）：用于制造半导体器件的硅圆片(wafer)部分。
3.分立元件（discrete component）：仅具有单一功能的半导体器件。
表1.1 半导体的电路集成
在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个衬底上，也就是集成电路。我们可大致以集成在一块芯片上的元件数划分集成时代。
1.2.1 集成电路制造
半导体器件的制作仅发生在接近硅片表面的几微米，在工艺加工过程中，硅片厚度提供硅片足够的强度。一旦器件在硅片上制作完毕，硅片上的金属线路层将作为器件和芯片外边的各种电信号之间的连接。
集成电路的制造步骤涉及五个制造阶段:
● 硅片制备: 在第一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特殊工艺产生适当直径的硅锭，然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。
● 芯片制造:
裸露的硅片经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。
● 硅片测试/拣选:
每个芯片要进行探测和电学测试，拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。
● 装配与封装:
将制作好集成电路的硅片分割成单个芯片，好的芯片被压焊后密封在塑料或陶瓷壳内。
● 终测:
为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。
1.2.2 芯片技术发展的主要趋势:
1．提高芯片性能 判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做的越小，在芯片上放置得越紧密，芯片的速度就会提高。还有使用材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输。芯片性能的另一重要方面是在器件工作过程中的功耗。
表1.2 特征尺寸的过去和将来的技术节点 关键尺寸（CD） 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。硅片上最小的特征尺寸称为关键尺寸（CD），是制造工艺复杂性水平的标准。从1um以下CD实际和预计的产业技术节点如表1.2所示。
2011年 22nm ？！
1.3 世界集成电路产业结构的变化及其发展历程
自发明集成电路至今40多年以来，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。
第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段
70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商（IDM）在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。
第二次变革：Foundry公司与IC设计公司
的崛起
80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）
相结合的方式开始成为集成电路产业发展
的新模式。
全球第一个Foundry工厂是1987年成立的台湾积体电路公司，即台积电，它的创始人张忠谋也被誉为"晶芯片加工之父"。
第三次变革："四业分离"的IC产业
90年代，随着INTERNET的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展，“分”才能精，“整合”才成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面近年来，全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。
IC的分类
IC按功能可分为：数字IC、模拟IC、微波IC及其他IC，其中，数字IC是近年来应用最广、发展最快的IC品种。数字IC就是传递、加工、处理数字信号的IC，可分为通用数字IC和专用数字IC。
通用IC：是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储器（DRAM）、微处理器（MPU）及微控制器（MCU）等，反映了数字IC的现状和水平。
专用IC（ASIC）：是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。
● 二氧化硅层的极限
在65纳米节点，二氧化硅层的厚度已下降到1.2纳米，亦即5至6个原子的厚度，如果二氧化硅层的厚度进一步缩小，将引起漏电流及功耗急速上升。因此从45纳米节点开始，许多厂商改用铪基高k介质材料(k值在15至20)来替代二氧化硅，达到延伸硅基材料寿命的目的。
●光刻的极限
从经济成本考虑，业界正在尽可能地延伸光学光刻方法的寿命。下一步可能的方案为EUV及电子束等。目前来看,193纳米仍有较强的生命力，有希望延伸至32纳米。但是无论EUV或者电子束都存在不可逾越的困难，如EUV尚有光源功率不够、光刻胶及反射式光学系统等问题，以及电子束存在每小时硅片产出量不足等困境。
● 经济成本的极限
假设技术上行得通，但是成本太高，或者投入的回报率过低，工业也无法推进。例如，业界估计一台EUV光刻机的价格超过5000万美元，使得一条生产线的投资达50亿美元以上，导致未来摩尔定律的极限在很大程度上可能由经济考量来作最终决定。
IBM的陈自强院士最近指出：摩尔定律是系统性能的提高，不仅局限于半导体。估计CMOS技术仍有8至10年的寿命，退一步讲，即使工艺达不到，还可用其它方法来弥补，如电路设计、芯片架构及编译器上的创新。最佳案例是指系统级芯片(SoC)。
将混讯、模拟、数字及电源管理或者嵌入式存储器同时设计在一款单芯片上，涵盖范围越来越广泛，同时也需要同一作业平台同时能运行这些不同功能。
从物理概念上讲,在15纳米节点时，业界至今还没找到解决的方法。但是多核、提高带宽、三维封装，及将I/O数量在目前基础上增加1000倍等方案，使摩尔定律又可延长5至10年，所以总计还有20年左右时间。
