3.4 集成电路技术

集成电路（Integrated Circuit）是一种微型电子器件或部件。它采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路具有体积小、质量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通信、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度可比晶体管提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提升。

自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、巨大、特大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。1985年，1MbULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1µm；1992年，16Mb的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5µm，而后的64Mb芯片，其条宽仅为0.3µm。表3-7显示了集成电路的集成规模和元件的集成度。

集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片如图3-28所示，它们构成了现代数字系统的基石。

3.4.1 集成电路的分类

1．按功能、结构分类

集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集电路三大类。模拟集成电路又称线性电路，用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度时间变化的信号，如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间和幅度离散取值的信号，如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。

2．按制作工艺分类

集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分为厚膜集成路和薄膜集成电路。

3．按集成度的高低分类

集成电路按集成度高低的不同，可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。

4．按导电类型的不同分类

集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，它们都是数字集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、H-TTL、L-TTL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

5．按用途分类

集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、计算机（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

（1）电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器（CPU）集成电路、存储器集成电路等。

（2）音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路、电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。

（3）影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

（4）录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。

6．按应用领域分类

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

7．按外形分

集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平形（稳定性好，体积小）和双列直插型。

3.4.2 集成电路设计流程

集成电路是微电子技术的核心，具有体积小、质量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在军事、通信、遥控等方面得到广泛的应用，而且在工业、民用电子设备，如收录音机、电视机、计算机等方面也得到广泛的应用。

在通信技术领域，大容量的交换机需要高速工作的集成电路作中央处理，不计其数的用户终端都需要集成电路芯片。数字通信网络和系统需要使用大量的集成电路如A/D转换器、D/A转换器、乘法器、移位寄存器、滤波器、存储器和编/解码器等。

在信号处理技术中，如调制和解调、语音处理、图像处理和识别、波形分析、控制信号处理等各方面，近年来都成为集成电路特别是专用集成电路应用的重要领域。例如，专用的数字信号处理器（DSP），就是把特定的快速数字信号处理算法用硬件实现，用于特定的电子设备中。

目前已经设计出如放大器、比较器、逻辑器件、ADC/DAC接口、射频IC、电源IC、单片机、ARM处理器、DSP、CPLD、FPGA等多种集成电路，正是因为设计出这些功能多样的集成电路，才使我们今天的信息化社会成为现实。可以说，缺少了集成电路设计，信息技术就无从谈起。

1．集成电路设计要求

一个有效的集成电路设计，应该满足以下几个方面的要求：

一，功能正确，并在第一次投片流水后就能达到设计要求；

二，电学性能经过优化，特别是在速度和功耗方面达到原定指标；

第三，芯片面积尽可能小，以降低制造成本；

第四，设计的可靠性，在工艺制造允许的误差范围内能正确工作；

第五，在制造过程中和完成后能够全面和快速地进行测试。

2．集成电路设计流程

为设计满足以上要求的集成电路，可采用条理性的、层次化的设计方法。层次化是把整设计分解为若干层次，在完成前一层设计任务后再进行下一层次的工作。其主要流程如下：

第一步，系统描述，包括明确系统功能和性能要求，确定芯片尺寸、工作速度和功耗等，是一个综合说明；

第二步，功能设计，包括算法的确定和功能框图的设计，常用时序图解或模块关系图解改进整个设计过程；

第三步，逻辑设计，利用文本、原理图或逻辑图及布尔方程表示逻辑结构来进行设计，并对逻辑结构进行模拟验证和优化；

第四步，电路设计，综合考虑逻辑部件的电路实现，并用详细的电路图来表示电路设计；

第五步，版图设计，把元件和元件的连接转换为几何表示，并且必须符合与制造工艺有关的设计规则要求；

第六步，设计验证，主要是为了确保版图满足制作工艺要求和符合系统设计的规范；

第七步，模拟和仿真，把有关数据进行虚拟环境下的模拟和仿真，以检查系统的正确性，便对系统进行快速改进和优化；

第八步，制造，包括硅片准备、杂质注入、扩散、光刻和外延等工艺，通过这些工艺在硅片上形成所需的电路或系统；

第九步，封装和测试，除去测试不合格的芯片。

实际设计可能会在某个步骤或几个步骤间反复进行，若采用计算机软件设计的方法，可减少设计时间，实现高效率的设计。

3.4.3 集成电路芯片制造工艺

1．氧化工艺

在室温下，硅在空气中暴露会被氧化而在表面形成氧化膜，氧化膜相当致密，能阻止更多氧原子通过它继续氧化，从而对某些杂质起到掩蔽作用。这种二氧化硅膜不但能紧紧依附在硅衬底上，而且具有极其稳定的化学性和电绝缘性。利用这些特点，人们制备各种二氧化硅来用做器件的保护层和钝化层、绝缘材料和电容器的介质膜等。氧化工艺的目的就是为了制备二氧化硅膜，方法有很多，如化学汽相淀积法、热分解淀积法、热氧化法、等离子氧化法等，目前最有效的方法是热氧化法。热氧化法是指硅与氧或水汽在高温下经化学反应生成二氧化硅，该方法制备的二氧化硅具有很高的重复性和稳定性，因而得到广泛推广。

2．掺杂工艺

掺杂是将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质的目的，形成PN结。在集成电路生产中，常用的杂质元素为硼、磷、砷等，掺杂工艺主要包括扩散和离子注入技术。

扩散的目的就是向晶体中掺入一定数量的某种杂质，并且希望掺入的杂质按要求分布。由于各种杂质及杂质源性质的差别，以及杂质源在室温下存在的相态不同，因而采用的扩散方法和扩散系统也存在一定的区别。如果按原始杂质源在室温下的相态加以分类，可分为固态源扩散、液态源扩散和气态源扩散。固态源大多数是杂质的氧化物或其他化合物；液态源一般都是杂质化合物，在高温下杂质化合物与硅反应释放出杂质原子，或者杂质化合物先分解产生杂质的氧化物，氧化物再与硅反应释放出杂质原子；气态源大多为杂质的氢化物或卤化物。

离子注入是将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。离子注入的最主要工艺参数是杂质种类、注入能量和掺杂剂量。杂质种类是指选择何种原子注入硅基体，一般杂质种类可以分为N型和P型两类，N型主要包括磷、砷、锑等，P型则主要包括硼、铟等；注入能量决定了杂质原子注入硅晶体的深度，高能量注入得深，低能量注入得浅；掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度，决定了掺杂层导电的强弱。通常半导体器件的设计者需要根据具体的目标器件特性，为每一步离子注入优化以上这些工艺参数。

3．光刻工艺

光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，按照确定的版图形，结合刻蚀方法在各种薄膜上（如SiO2等绝缘膜和各种金属膜）制备出合乎要求的电路图形，包括形成金属电极和布线、表面钝化和实现选择性掺杂。由于集成电路有一定的空间结构，需多次使用光刻，所以氧化工艺与光刻工艺的结合构成了整个平面工艺的基础。目前用于研究和生产的光刻技术有接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻4种。

以SiO2膜上用常规光刻工艺来刻蚀所需图形的过程为例，光刻工艺过程如下。

第一步，清洗表层：用微电子工艺中的清洗程序，清洗SiO2层表面，保证光刻胶与SiO2表面能很好地黏附。

第二步，涂甩光刻胶：在SiO2清洁表面涂敷光刻胶后，甩胶成均匀薄膜。当光刻光源照射后，光刻胶的化学结构随即发生改变。

第三步，烘干：将甩胶后的硅片在70℃干燥室中放置10min左右，让光刻胶干燥。

第四步，曝光：将光刻版（又称掩膜版）放在光刻胶层上，并套准，用光源照射，使光刻胶发生化学反应。

第五步，显影：经过曝光后的光刻胶中受到光照的部分因发生光化学反应，从而改变化结构，使其在显影液中被溶解。

第六步，坚膜：在显影时被泡软的胶膜需要变硬，以便与SiO2层更好地黏附，以防脱落，常采用的是加热烘烤的办法。

第七步，腐蚀：对坚好的膜用腐蚀液或离子反应法把没有受膜保护的SiO2层去掉。

第八步，去胶：完成腐蚀后，用去胶剂或离子反应刻蚀法除去留在膜上的胶层。

4．刻蚀工艺

光刻方法制成的光刻胶的微图形结构，只能给出电路的形貌，并不是真正的器件结构。获得器件的结构，必须把光刻胶的图形转移到光刻胶下面的各层材料上去。刻蚀的主要内就是把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与刻胶相同的图形。主要方法有两种：湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用液态化学试剂溶液通过化学反应进行刻蚀的方法；干法刻蚀主要指利用低压放电产生的等离子体中的离或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击物理作用而达到刻蚀的目的。