集成电路现今所达到的技术高度是当初人们难以想象的。在发明集成电路的1958年.全世界半导体厂生产的晶体管总数为4710万个,其中包括210万个硅晶体管,其余为锗晶体管。现今一个普遍应用的千兆位DRAM存储器芯片中,所包含的晶体管数量就是这个数目的数百倍。1971年Intel公司研制成功的第一个微处理器芯片上有2300个MOS晶体管,其运算速度为6万次/秒。而现在笔记本计算机中普遍应用的微处理器芯片内含数以亿计的晶体管,其工作频率可达数千兆赫。
硅微电子技术何以取得如此巨大进步呢?分析集成电路60余年的发展历程,可以看到有两个基本规律推动着集成电路技术的持续快速进步。一是器件微小型化规律,也就是器件按比例缩微原理;另一个是集成电路指数增长规律，也就是著名的摩尔定律(MooreLaw)。摩尔定律既反映作为数字化信息基础的器件技术进步特点,也反映集成电路产业演进的经济发展特点。概括地讲，器件微小型化是主导集成电路技术演进的技术规律,摩尔定律则是主导集成电路产业发展的经济规律;前者是集成电路制造技术持续快速创新之路.而后者则是集成电路产品及市场持续快速扩展之路。这两个客观规律反映了集成电路发展具有强烈技术驱动和市场牵引,两者密切结合造就了当代微电子技术持续迅速发展的奇迹。
1.3.1 器件微小型化规律按比例缩微原理
器件微小型化是集成电路技术进步的关键与内在动力。表1.1所列硅集成电路工艺特征尺寸在1970一2014年间的演变，有力地证明这一突出特点。提高集成密度是集成电路技术进步的首要目标。表1.1展示,随着加工工艺特征尺寸缩微，集成电路典型产品之一动态随机存储器(DRAM)的存储容量呈几何级数上升。1970年以当时的10pm加工技术研制成功1千位DRAM,而在35年后的2005年，用80~90 nm工艺,已经可以生产1千兆位DRAM存储器。器件尺寸缩小100余倍,集成度增长100万倍。在集成电路发明初期,其中一个晶体管所占面积在平方毫米量级，现今先进集成电路芯片中一个晶体管所占面积可缩小到0.1m2以下，面积缩小1000万倍以上。目前DRAM器件密度每平方厘米超过1千兆位，微处理器芯片集成密度可达每平方厘米数亿个晶体管。2017年IEDM会议上Intel公司发布的10nm高性能、低功耗逻辑芯片中，晶体管密度达1亿/平方毫米。虽然自20世纪90年代中期以来随着制造技术升级换代，VLSI器件集成度与速度等功能呈指数式增长，但历代DRAM和MPU成熟产品的芯片面积基本相近,甚至有所减小,以求提高成品率与降低成本。DRAM存储器自数十兆位至数千兆位产品，芯片面积一直约为1cm2，MPU芯片面积也一直在1~2cm2范围。可以简略地说，集成电路是"以小求大"的技术。因此，集成电路技术在以"超大"、"甚大"等越来越大词语形容的同时，也常以"微米"、"亚微米"、"深亚微米"、"90、65、45、32、22、14、10...纳米"等越来越小的尺寸为标志。现今集成芯片能造技术已进入亚10nm,甚至亚5nm器件结构与工艺研究开发的新阶段。
单元器件尺寸缩微，不仅提高芯片集成度,还可以全面提高集成电路的各种性能和功能。图1.4显示器件微小型化与集成电路各种性能之间的密切关系。单元器件尺寸越小,集成电路的传输速度就越快。逻辑芯片晶体管的本征延时从早期10-s量级，已缩短至10-12s及更小的量级。越来越多和越来越快的晶体管集成在芯片上，就使集成电路具有越来越强的功能。器件尺寸缩图1.4 器件微小型化集成电路迅速进步之源小和集成度提高还可导致晶体管功耗降低和电路可靠性上升。单元器件微小型化与硅片直径增大，必然有利于提高集成电路生产效率和降低芯片生产成本。以300mmm硅片上65 nm工艺技术为例,单一硅片上制造的晶体管数量可高达数千亿，其单一芯片的价格就可能比上一代技术产品降低。由器件尺寸缩微产生的这些变化，又为集成电路扩展应用开拓日益宽广道路。因此,持续不断地实现单元器件微小型化，就成为集成电路技术的"多快好省"发展之路。毫不夸张地说，集成芯片技术是以小求大、以小求快、以小求精、以小求广的高技术。
MOS器件按比例缩微原理是实现器件微小型化的主要依据。1974年IBM公司的Dennard等人提出这一原理[。如果MOS晶体管的几何尺寸都按一定比例缩小，按相同比例降低电源电压，并相应调节衬底掺杂浓度,则器件的集成度、速度等性能将按比例提升，而电场强度和功耗密度可以保持不变。虽然双极型器件由于pn结的导通阈值电压值基本恒定,与MOS器件显著不同,但尺寸缩微也同样可使集成度增加、速度增快。器件尺寸缩小也必然导致产生许多影响其性能的新效应(如短沟道效应、热电子效应等)，以及一系列工艺和材料难题,但通过器件物理研究和制造工艺技术创新、器件设计优化,能够不断研制性能优异的更小晶体管和功能更强的集成芯片。
集成电路进入纳米CMOS发展阶段后,器件缩微规律发生变化。此前至0.1um技术代,集成电路芯片一直按照传统缩微途径，即Dennard等人阐述的按比例缩微规律,逐步升级换代。芯片集成度与性能提高几乎完全依赖于尺寸缩微。纳米CMOS器件缩微则更加需要由材料、结构创新促成的等效缩微技术，以提高沟道载流子迁移率、增强栅介质电容耦合效应等器件性能。应变沟道技术、高k介质与金属栅工艺、多栅立体结构晶体管等,先后为纳米CMOS集成电路芯片缩微技术注入新活力。
1.3.2 集成器件指数增长规律摩尔定律
美国著名集成电路科学家和企业家G.Mo0re博士早在1965年,曾根据19591965年间统计数字,总结出一个集成电路发展趋势的规律:单个集成电路芯片上所包含的晶体管数目每过1年就会增加1倍,而每个晶体管的成本下降约一半。这就是著名的摩尔定律的最初表述[18]。后来根据实际情况变化,摩尔定律的表述改为每18个月或每两年集成度增长1倍。回顾分析1965年以来半个多世纪半导体产业变化,集成电路的演变确实展现了这一规律。摩尔定律实质上说明集成电路发展遵循指数增长规律。实际上，历史上许多新兴技术产品,在一定发展阶段往往都以某种指数规律增长。集成电路的独特之处在于，其发展变化速度之快,持续时间之长，及其应用范围扩展、渗透、影响之广，在现代技术发展历史上很难找到与之可比者。
摩尔定律反映了集成电路技术的快速发展,其根源在于集成电路应用迅猛扩展所形成的强烈市场牵引。随着集成电路技术进步而迅速发展的计算机、通信互联、自动化、数字化多媒体、人工智能等电子信息产业,又推动半导体技术不断升级换代,提供集成度更高、速度更快、可靠性更好、功能更强的集成电路产品。以硅存储器芯片为例,1967年研制成功64位MOS存储器,为半导体存储器替代此前普遍应用的磁芯存储器开辟了道路。此后一代又一代更高密度存储芯片面世，现今已可提供千兆位存储器芯片，在各种电子设备中得到越来越普遍的应用。硅微电子技术不断提供的多种多样的集成电路创新产品,促使数字化技术越来越广泛应用到经济、文化、科技等各种领域
摩尔定律与器件微小型化密切相关,其技术基础正是器件按比例缩微原理。图1.5以40年间集成芯片实际演变数据,揭示这两个影响微电子技术进步规律之间的内在关系。该图依据Intel公司发布的数据[19]，显示1971一2010年间微处理器芯片集成度与工作频率随器件最小工艺尺寸的变化。在器件特征40年间源于工艺技术持续进步，促使单元尺寸器件尺寸缩微，由10pm逐步减小到32nm,从而使微处理器产品持续升级换代,经历约20代变迁，芯片集成的晶体管00数由2.3X103个增加到约1.2X109个，10工作频率由约1.1X10H2上升到约3.5X109Hz。同一期间DRAM存储容量由4千位逐步上升到4千兆位，集成度提0.1高100万倍。正是由于器件微小型化,促使产品性能持续提高与相对价格不断下降,从而造就了集成电路日益增长的广泛应用和市场扩展。在集成电路技术发展中,新技术、新产品的研究开发、生产、应用和市场扩展之间存在着强烈正反馈互动作用。器件微小型化原理与摩尔定律相结合，促使集成电路性能/价格比呈指数式大幅度增长，这可以说是微电子技术发展模式的突出特点,因而引发电子信息技术革命。对于器件缩微原理及相关因素，本书第7章将作进一步讨论。
硅集成电路技术的活力，不仅在于其性能和功能迅速增长，还在于其性价比大幅提升。步讨论单个晶体管的平均价格持续下降,每5年降低约一个数量级，1968年约为1美元，1998年降到了10美元。往往新一代集成电路在进入大批量生产后，其成熟产品市场价格就逐渐下降到与上一代产品相近的水平，即平均单个晶体管价格下降速率几乎与集成度的上升速率相近,因而使集成电路产品得到越来越广泛应用。所以,在集成电路发展道路上，有如存在一种内在的"反通货膨胀规律"，形成微电子技术演进与经济发展的良性互动态势。集成技术产品具有先进性和普及性的双重属性,每一代集成芯片总是始于电子产品创新，终获普及应用。器件缩微技术进步造就集成芯片升级换代，单元器件成本下降导致集成芯片性价比上升,两者正是摩尔定律相互关联的基本内涵。
近年器件缩微受到多种材料与工艺难题限制,纳米CMOS集成芯片升级换代步伐趋缓。在这种背景下人们对摩尔定律是否仍在起作用议论纷纷。有人提出，摩尔定律已止于28nm技术代[29]。这种观点认为,虽然28nm技术代之后，应用立体多栅晶体管等新技术，集成芯片继续升级,晶体管集成度仍在倍增,但器件可比制造成本已转为上升，因而已偏离摩尔定律的基本内涵。持此观点者依据成本计算认为，在二维晶体管集成芯片升级换代演变中,晶体管制造成本持续显著下降,自90nm至28 nm,每百亿门电路成本由4.01美元降到1.30美元，而自22nm开始到7nm技术代的立体多栅集成芯片，晶体管制造成本转为逐代上升,每百亿门电路成本由1.42美元可能逐渐增加到1.52美元[29]。但也有研究者认为，立体栅器件集成芯片缩微技术仍具有提高性价比潜力。应更全面地分析摩尔定律的历史与趋势。实际上，作为概括集成电路产业发展特点的一种经济规律，总是随着集成电路与信息产业演变而变化。近年提出的"More Moore"(MM)和"More than Moore"(MtM)，就是为了适应缩微技术难度上升而扩展市场需求，促进半导体技术与产业多向演进的新业态。
