集成电路

  集成电路(英语:integrated circuit,也称为 IC、microcircuit、microchip、silicon chip、或chip),是以半导体晶体材料,经平面工艺加工制造,将电路的元件、器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。是一种小型化的电路(主要包括半导体设备,也包括被动元件),制造在半导体晶圆表面上。混合集成电路是由独立半导体设备和被动元件,集成到底层或线路板构成的小型化电路。  微小型化电路简称微电路,是一种结构上比最紧凑的分立元件电路的体积小几个数量级、重量轻几个数量级的微结构电路。微电路最早应用在空间和军事上。载人的长期空间飞行体所需要的高可靠性,只有凭借先进的微电路才能获得。微电路与先前用手工或机械方法制造的电路相比,其可靠性高得很多,成本也低得多。随着集成电路和微电子技术的发展,出现完整的大规模集成分系统,能实现多种功能,微电路的优势更为显著。  集成电路(指单片集成电路)、薄膜电路、厚膜电路和混合微型电路是微电路的几种基本形式。  单片集成电路早期称为单块电路。实际上,单片集成电路是用一块半导体单晶片制成的微型化电路。现代集成电路所用半导体材料通常是硅(Si)或化合物半导体如砷化镓(GaAs)。

简史

   1958年,美国开始研制微型组件。这是将二极管、晶体管做成微型芝麻管和微型电阻、电容装配到一片片陶瓷基片上,然后再叠成立体结构,构成能完成某种功能的电路组件。J.基尔比尝试用半导体材料来制作包括晶体管、电阻、电容在内的并互连成一个完整的电路,于是用硅材料试制了一个分立元件电路。其中,电阻是用切成条状的硅制成的,电容器是取自扩散硅功率晶体管芯片两边再金属化而获得的。同年,基尔比和他的同事制作的集成相移振荡器电路成为世界上第一批集成电路。接着,他们又制成数字集成触发器。当时人们把基尔比等制作的电路称为固体电路。  1959年,美国仙童公司R.N.诺伊斯等申请用平面工艺制作硅集成电路的专利,利用PN结隔离技术,在氧化膜上制作互连线。他们研制的平面工艺最终完成了集成电路的全部工艺,奠定了半导体集成电路发展的基础。有了硅平面工艺技术,单片集成电路才真正实现。  虽然1959年利用表面场效应原理的 MOS场效应晶体管已经研制出来,但当时能够实际应用的还是双极型集成电路。  1968年,集成电路进入大规模阶段,因 MOS型集成电路比双极型集成电路更适合于大规模和超大规模集成。从这时起,MOS型集成电路便突出出来而且发展速度极快,MOS 电路在大规模集成电路中占居了重要地位。半导体MOS存储器从1千位扩大到4、16、64、256千位,并都已见商品,1兆位也已有样品。70年代末,美国英特尔公司首先提出随机逻辑大规模集成电路,从而发明计算机中央处理单元,即控制单元和运算单元集成电路,为计算机微型化创造了条件。从此,集成电路进入电子系统集成阶段。  半导体集成存储器作为电路发展中的新产品,一直被看作集成度增长的代表性产品而受到重视。以 MOS存储器为例,从1960~1975年,集成电路的集成度提高了64000倍,其中芯片尺寸扩大约20倍,引入微细加工,提高加工精度,增加集成密度约32倍。  在这期间,除数字集成电路在数字逻辑信息领域里被广泛应用外,线性集成电路在模拟信息方面,如视听、广播电视领域里也被广泛应用。线性集成电路对电阻、电容等元件要求高,依赖性大,所以在模拟信号处理的应用要比在数字逻辑信号处理上应用来得晚,如用于模拟计算机和仪表上的第一批优质运算放大器是1966年才出现的。  集成电路发展的特点是:  ①技术发展快,单块集成度在1960~1978年每年翻一番。  ②采用了微米、亚微米量级微细加工技术。如 16千位动态随机存储器在5.2毫米×3.4毫米面积上集成3.5万多元件,采用线条宽为5微米的工艺;64千位动态随机存储器采用3微米的工艺。采用电子束、离子束、分子束工艺和干法工艺等高级加工技术,线条宽度已缩小到0.5~0.1微米。大规模和超大规模集成电路技术和功能日益密集化。集成电路速度已达到皮秒级。集成电路片微功耗化,有利于节能和降低功耗密度。集成电路结构微小型化,为微电子学、微电子技术的发展开辟了道路。  ③高集成度和高集成密度。单片集成度已达到能集成60万个以上元件数,集成密度达每平方毫米7千到电子1万个元件。

类别

   集成电路依所用晶体管结构、电路和工艺之不同,可分为双极型集成电路和金属-氧化物-半导体结构两大类。前者的主要器件是双极型晶体管(如NPN晶体管);后者的主要器件是MOS场效应晶体管。集成电路按其处理信息的功能不同,可分为数字集成电路和模拟集成电路(也称线性集成电路)。  集成电路由于电路复杂程度不同,可根据集成规模分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。对于数字集成电路来说,习惯上认为小规模集成电路是集成度小于10个门电路或集成元件数少于 100个元件的集成电路;中规模集成电路是集成度在10~100个门电路之间,或集成元件数在100~1000个元件之间的集成电路;大规模集成电路是集成度在100个门电路以上或集成元件数在 1000个元件以上的集成电路。大规模集成电路是在一般中、小规模集成电路的基础上发展起来的,中、小规模集成电路一般是以简单的门电路或单级放大器为集成对象的,而大规模集成电路则以功能部件、整机、子系统为集成对象。从分立元件发展到集成电路是半导体电子技术发展的一次飞跃;从一般中、小规模集成电路发展到大规模集成电路是又一次飞跃,并且还在向超大规模集成电路发展。  超大规模集成电路一般指集成度达 1万个门电路或集成元件数在10万个元件以上的大规模集成电路。超大规模的范围至今尚无公认的标准。  模拟集成电路的大、中、小规模的集成度所包含元件个数要比相应的数字集成电路的元件个数为少。  集成电路根据集成方法之不同,可分为单片集成电路和混合集成电路两种。所谓混合集成电路是指单片集成电路和分立元件、器件的混合,采用薄膜技术混合的称作薄膜混合集成电路;采用厚膜技术混合的称作厚膜混合集成电路。由于用薄膜电路技术制作的薄膜晶体管和二极管尚未达到实用水平,薄膜集成电路和厚膜集成电路尚未实现,实际应用的只有集成电路和混合集成电路两种。  混合集成电路可以将单片集成电路再一次微小型化,有时也把混合微技术称作二次集成技术。

制造

  从19世纪30年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的William Shockley认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜到锗,再到硅,原料在19世纪40年代到50年代被系统的研究。今天,尽管元素中期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如:发光二极管,激光,太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。  半导体IC制程,包括以下步骤,并重复使用:  黄光(微影)   蚀刻   薄膜   扩散   CMP   使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层。然后使用微影、扩散、CMP等技术制成MOSFET或BJT等元件,然后利用微影、薄膜、和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。因产品效能需求及成本考量,导线可分为铝制程和铜制程。  IC 由很多重叠的层组成,每层由影像技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的元件由这些层的特定组合构成。  在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅或金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。   电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。   电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。   更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。   因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双级元件消耗的电流少很多。  随机存取存储器(random access memory)是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年芯片来宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。元件层的制作非常象照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光元件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。  在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为“die”。每个好的die 被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。  在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂)建设费用要超过10亿美金,因为大部分操作是自动化的。最先进的过程用到了以下技术: 晶圆直径达到了300mm(比通常的餐盘要宽) 使用65纳米或更小的制程。Intel, IBM, NEC和AMD在他们的CPU上,使用45纳米技术。 用铜线代替铝进行互相连接 Low-k 电介质绝缘体 Silicon on insulator (SOI) IBM的Strained silicon directly on insulator (SSDOI)

封装

  最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装(dual in-line package DIP),开始是陶瓷,之后是塑料。20世纪80年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,导致插针网格阵列和leadless chip carrier(LCC)的出现。表面贴的封装在20世纪80年代初期出现,在80年代后期开始流行。他使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的 DIP 面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。  Small-Outline Integrated Circuit (SOIC) 和PLCC封装。20世纪90年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP 和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理器现在从PGA封装转到了land grid array (LGA)封装。  Ball grid array (BGA) 封装从20世纪70年代开始出现。20世纪90年代开发了比其他封装有更多管脚数的Flip-chip Ball Grid Array(FCBGA)封装。在FCBGA封装中,die被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个die的表面,而不是限制于die的外围。  与芯片内的信号相比,信号从die中出发,穿过封装,进入印刷电路板,有非常不同的电参数。这需要特殊的设计技巧,比限制在芯片内的信号需要更多的电能。  当把多个die放在一个封装内,称为System In Package (SIP),当把多个die集成在一个小的基层上,通常是陶瓷,称为MCM或Multi-Chip Module。一个大型的MCM和一个小的印刷电路板之间的区别是模糊地。   集成电路(Integrated Circuit, 通常简称 IC)通常使用硅为基础材料,在上面通过扩散或渗透技术形成 N型半导体和 P型半导体及 PN结。也有使用锗为基础材料,但比起硅需要较高之切入电压。实验室中也有以砷化镓(GaAs)为基材的芯片,性能远超硅芯片,适合通信上之高频应用,但是不易量产,价格过高,并且砷具有毒性,废弃时处理不易。  第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。  根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:  小规模集成电路 ( SSI 英文全名为 Small-Scale Integration, 几十个逻辑门以内)。   中规模集成电路 ( MSI 英文全名为 Medium-Scale Integration, 几百个逻辑门)。   大规模集成电路 ( LSI 英文全名为 Large-Scale Integration, 几万个逻辑门)。   甚大规模集成电路 ( VLSI 英文全名为 Very-large-scale integration, 几十万个逻辑门以上)。   超大规模集成电路 ( ULSI 英文全名为 Ultra-Large Scale Integration, 百万个逻辑门以上)。   而根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路和数字集成电路。