关于半导体集成电路介绍

[拼音]：bandaoti jicheng dianlu

[外文]：semiconductor integrated circuit

是将晶体管、二极管等有源元件和电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶（主要是硅单晶）片上。它完成特定的电路或系统功能。这种集成电路与过去将各个电子元件分别封装，然后装配在一起的电路不同，不仅表现在外形体积上小，而且反映在制造工艺技术上，它的全部元件及其互连导线都在一系列特定工艺技术加工过程中完成。

集成电路在大约5mm×5mm大小的硅片上，已集成了一台微型计算机的核心部分，包含有一万多个元件。集成电路典型制造过程见图1。从图1，可以看到，已在硅片上同时制造完成了一个N+PN晶体管，一个由 P型扩散区构成的电阻和一个由N+P结电容构成的电容器，并用金属铝条将它们连在一起。实际上，在一个常用的直径为75mm的硅片上（现在已发展到φ＝125mm～150 mm）将有 3000000个这样的元件，组成几百个电路、子系统或系统。通过氧化、光刻、扩散或离子注入、化学气相淀积蒸发或溅射等一系列工艺，一层一层地将整个电路的全部元件、它们的隔离以及金属互连图形同时制造在一个单晶片上，形成一个三维网络。而一次又可以同时加工几十片甚至上百片这样的硅片，所以一批可以得到成千上万个这样的电路。这样高的效率，正是集成电路能迅速发展的技术和经济原因。

这个三维网络可以有各种不同的电路功能和系统功能，视各层的拓扑图形和工艺规范而定。在一定的工艺规范条件下，主要由各层拓扑图形控制，而各层的拓扑图形又由各次光刻掩膜版所决定。所以光刻掩膜版的设计是制造集成电路的一个关键。它从系统或电路的功能要求出发，按实际可能的工艺参数进行设计，并由计算机辅助来完成设计和掩膜版的制造。

在芯片制造完成后，经过检测，然后将硅片上的芯片一个个划下来，将性能满足要求的芯片封装在管壳上，即构成完整的集成电路。

由于集成电路所用的半导体材料是杂质灵敏的，它的元件和连线只有和几个微米线度的大小，一个电路又集中了上万个这样的元件，所以极微细的尘埃颗粒和微量有害杂质沾污，都可以使局部连线和元件损坏，从而使整个电路失效。因此加工集成电路，要求有洁净的环境和纯净的材料。精细加工、洁净环境、纯净材料构成生产和研究集成电路的特点。

集成电路是随着电子装备小型化和高可靠要求而发展起来的。它是现代科学技术的综合结晶，追溯起来，早在第二次世界大战期间，在陶瓷基片上制成的电阻阵列应是第一次集成化电路。晶体管发明后不久，就出现了一些锗集成电路。但是半导体集成电路的真正发展则是在发明了平面晶体管以后。第一个有重要意义的突破是在硅片上热生长具有优良电绝缘性能，又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。50年代中期以后，又将在印刷照相业中早已广泛应用的光刻技术和制镜及透镜制造业中应用的薄膜蒸发技术引入到半导体工业中来，它们和扩散、外延等技术相结合，奠定了一整套集成电路制造工艺技术。到50年代后期，集成电路主要技术都已相继发展和基本形成了。1958年制成了第一只单片集成电路。与以往电子装配相比较，在缩小体积、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面，集成电路都有着巨大的优越性和潜力。所以此后的发展速度是十分惊人的。每个半导体芯片上的元件数，即集成度，60年代到70年代初每年递增一倍，70年代末到目前，每两年递增一倍。人们往往用集成度来划分大、中、小规模集成电路。一般认为集成度在 100元件以下的称为小规模集成电路(SSI)，主要在50年代末发展；集成度在100～1000个元件数的称为中规模集成电路 (MSI)，主要在60年代发展；集成度在 1000～105个元件的称为大规模集成电路(LSI)，主要在70年代发展。一个LSI往往是一个子系统。特别是在1971年微处理机问世以来，计算机设计和集成电路技术融合在一起，使整台计算机可以做在一个芯片上。集成度在 105元件以上的一般称为超大规模集成电路(VLSI)，主要在80年代发展。采用更先进的制造工艺技术，发展了一系列如电子束、软X 射线曝光、离子刻蚀等精细加工技术，计算机工艺模拟和计算机辅助生产（CAP），以及计算机辅助测试(CAT)等技术。它的设计更多采用计算机辅助设计(CAD)。

集成电路和微处理机的出现不仅深刻地改变了电子技术的面貌和原有的设计理论基础，而且成为现代科学技术的重要基础之一。

集成电路向功能越来越大的方向发展，使整机、线路与元件、器件之间的明确界限被突破，器件问题和线路基至整机系统问题已经结合在一起，体现在一小块硅片上，这就形成了固体物理、器件工艺与电子学三者结合的一个新领域──微电子学。

集成电路如果以构成它的电路基础的晶体管来区分，有双极型集成电路和MOS集成电路两类。前者以双极结型平面晶体管为主要器件（如图2），后者以MOS场效应晶体管为基础。图3表示了典型的硅栅N沟道MOS集成电路的制造工艺过程。一般说来，双极型集成电路优点是速度比较快，缺点是集成度较低，功耗较大；而MOS集成电路则由于MOS器件的自身隔离，工艺较简单，集成度较高，功耗较低，缺点是速度较慢。近来在发挥各自优势，克服自身缺点的发展中，已出现了各种新的器件和电路结构。

集成电路按电路功能分，可以有以门电路为基础的数学逻辑电路和以放大器为基础的线性电路。后者由于半导体衬底和工作元件之间存在着有害的相互作用，发展较前者慢。同时应用于微波的微波集成电路和从Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体激光器和光纤维导管为基础的光集成电路也正在发展之中。

半导体集成电路除以硅为基础的材料外，砷化镓也是重要的材料，以它为基础材料制成的集成电路，其工作速度可比目前硅集成电路高一个数量级，有着广阔的发展前景。

从整个集成电路范畴讲，除半导体集成电路外，还有厚膜电路与薄膜电路。

（1）厚膜电路。以陶瓷为基片，用丝网印刷和烧结等工艺手段制备无源元件和互连导线，然后与晶体管、二极管和集成电路芯片以及分立电容等元件混合组装而成。

（2）薄膜电路。有全膜和混合之分。所谓全膜电路，就是指构成一个完整电路所需的全部有源元件、无源元件和互连导体，皆用薄膜工艺在绝缘基片上制成。但由于膜式晶体管的性能差、寿命短，因此难以实际应用。所以目前所说的薄膜电路主要是指薄膜混合电路。它通过真空蒸发和溅射等薄膜工艺和光刻技术，用金属、合金和氧化物等材料在微晶玻璃或陶瓷基片上制造电阻、电容和互连（薄膜厚度一般不超过1微米），然后与一片或多片晶体管器件和集成电路的芯片高密度混合组装而成。

厚膜和薄膜电路与单片集成电路相比，各有特点，互为补充。厚膜电路主要应用于大功率领域；而薄膜电路则主要在高频率、高精度方面发展其应用领域。目前，单片集成电路技术和混合集成电路技术的相互渗透和结合，发展特大规模和全功能集成电路系统，已成为集成电路发展的一个重要方向。

参考书目

1. C. Mead and L. Conway， Introduction to VLSI System， Addison-Wesley， London， 1978.
2. 复旦大学微电子教研室编著:《半导体集成电路》，上海人民出版社，上海，1980。
3. P.Richnian，MOS Field-Effect Transistor and Integrated Circuit， John Wiley & Sons， New York，1973.
4. M. L. Toptev， Thick-film Microelectronics，VanNostrand Reinhold Co.， New York， 1971.