半導體集成電路基礎知識解析

半導體集成電路（英文名：semiconductor integrated circuit），是指在一個半導體襯底上至少有一個電路塊的半導體集成電路裝置。

半導體集成電路是將電晶體，二極體等等有源元件和電阻器，電容器等無源元件，按照一定的電路互聯，「集成」在一塊半導體單晶片上，從而完成特定的電路或者系統功能。

在所述半導體襯底上有：設置在所述電路塊邊緣的多個焊盤和從所述電路塊延伸至所述焊盤之間的多條布線；所述多個焊盤跟半導體集成電路裝置的外部引線連接，且所述多條布線是在所述半導體襯底的主面上設有另一電路塊時，用以跟來自該另一電路塊的布線連接的布線，做成具有能夠與來自該另一電路塊的布線連接的形狀。

半導體集成電路是電子產品的核心器件，其產業技術的發展情 況直接關係著電力工業的發展水平。

就總體情況來看，半導體產業 的技術進步在一定程度上推動了新興產業的發展，包括光伏產業、 半導體照明產業以及平板顯示產業等多種，促進了半導體集成電路 產業上下游產業供應鏈的完善，並在一定程度上優化了生態環境。

因此加強半導體集成電路產業技術的研究和探索，具有重要的現實意義。

質量保障措施

工藝保障

1）原材料控制。

包括對掩膜版、化學試劑、光刻膠、特別對矽材料等原材料的控制。

控制不光採用傳統的單一檢驗方式，還可對關鍵原材料採用統計過程控制（statisticalprocesscontrol，SPC）技術，確保原材料的質量水平高，質量一致性好。

2）加工設備的控制。

除採用先進的設備進行工藝加工外，還應做好對設備日常維護、預防性維修等工作，同時應對設備的關鍵參數進行監控，必要時建立設備參數的SPC控制模型進行分析控制等。

3）工藝加工過程的控制。

包括對關鍵工藝參數進行SPC控制、工序能力分析、6σ設計等，同時對工藝加工關鍵環節建立工藝檢驗手段，如對氧化層的針孔和裂紋的檢驗、對可動金屬離子的檢驗、對金屬層穩定性的檢驗等。

此外，工藝方面的保障還應包括對操作人員的培訓和考核、對環境潔凈度的控制和建立先進的生產質量管理信息系統等方面。

設計保障

1） 常規可靠性設計技術。

包括冗餘設計、降額設計、靈敏度分析、中心值優化設計等。

2） 針對主要失效模式的器件設計技術。

包括針對熱載流子效應、閂鎖效應等主要失效模式，合理設計器件結構、幾何尺寸參數和物理參數。

3） 針對主要失效模式的工藝設計保障。

包括採用新的工藝技術，調整工藝參數，以提高半導體集成電路晶片的可靠性。

4） 半導體集成電路晶片可靠性計算機模擬技術。

在電路設計的同時，以電路結構、版圖布局布線以及可靠性特徵參數為輸入，對電路的可靠性進行計算機模擬分析。

根據分析結果，可預計電路的可靠性水平，確定可靠性設計中應採用的設計規則，發現電路和版圖設計方案中的可靠性薄弱環節。

製造工藝

集成電路在大約5mm×5mm大小的矽片上，已集成了一台微型計算機的核心部分，包含有一萬多個元件。

集成電路典型製造過程見圖1。

從圖1,可以看到，已在矽片上同時製造完成了一個N+PN電晶體，一個由 P型擴散區構成的電阻和一個由N+P結電容構成的電容器，並用金屬鋁條將它們連在一起。

實際上，在一個常用的直徑為75mm的矽片上（現在已發展到φ=125mm～150 mm）將有 3000000個這樣的元件，組成幾百個電路、子系統或系統。

通過氧化、光刻、擴散或離子注入、化學氣相澱積蒸發或濺射等一系列工藝，一層一層地將整個電路的全部元件、它們的隔離以及金屬互連圖形同時製造在一個單晶片上，形成一個三維網絡。

而一次又可以同時加工幾十片甚至上百片這樣的矽片，所以一批可以得到成千上萬個這樣的電路。

這樣高的效率，正是集成電路能迅速發展的技術和經濟原因。

這個三維網絡可以有各種不同的電路功能和系統功能，視各層的拓撲圖形和工藝規範而定。

在一定的工藝規範條件下，主要由各層拓撲圖形控制，而各層的拓撲圖形又由各次光刻掩膜版所決定。

所以光刻掩膜版的設計是製造集成電路的一個關鍵。

它從系統或電路的功能要求出發，按實際可能的工藝參數進行設計，並由計算機輔助來完成設計和掩膜版的製造。

在晶片製造完成後，經過檢測，然後將矽片上的晶片一個個划下來，將性能滿足要求的晶片封裝在管殼上，即構成完整的集成電路。

分類

集成電路如果以構成它的電路基礎的電晶體來區分，有雙極型集成電路和MOS集成電路兩類。

前者以雙極結型平面電晶體為主要器件（如圖2），後者以MOS場效應電晶體為基礎。

圖3表示了典型的矽柵N溝道MOS集成電路的製造工藝過程。

一般說來，雙極型集成電路優點是速度比較快，缺點是集成度較低，功耗較大；而MOS集成電路則由於MOS器件的自身隔離，工藝較簡單，集成度較高，功耗較低，缺點是速度較慢。

近來在發揮各自優勢，克服自身缺點的發展中，已出現了各種新的器件和電路結構。

集成電路按電路功能分，可以有以門電路為基礎的數學邏輯電路和以放大器為基礎的線性電路。

後者由於半導體襯底和工作元件之間存在著有害的相互作用，發展較前者慢。

同時應用於微波的微波集成電路和從Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體雷射器和光纖維導管為基礎的光集成電路也正在發展之中。

半導體集成電路除以矽為基礎的材料外，砷化鎵也是重要的材料，以它為基礎材料製成的集成電路，其工作速度可比目前矽集成電路高一個數量級，有著廣闊的發展前景。

從整個集成電路範疇講，除半導體集成電路外，還有厚膜電路與薄膜電路。

①厚膜電路。

以陶瓷為基片，用絲網印刷和燒結等工藝手段製備無源元件和互連導線，然後與電晶體、二極體和集成電路晶片以及分立電容等元件混合組裝而成。

②薄膜電路。

有全膜和混合之分。

所謂全膜電路，就是指構成一個完整電路所需的全部有源元件、無源元件和互連導體，皆用薄膜工藝在絕緣基片上製成。

但由於膜式電晶體的性能差、壽命短，因此難以實際應用。

所以目前所說的薄膜電路主要是指薄膜混合電路。

它通過真空蒸發和濺射等薄膜工藝和光刻技術，用金屬、合金和氧化物等材料在微晶玻璃或陶瓷基片上製造電阻、電容和互連（薄膜厚度一般不超過1微米），然後與一片或多片電晶體器件和集成電路的晶片高密度混合組裝而成。

厚膜和薄膜電路與單片集成電路相比，各有特點，互為補充。

厚膜電路主要應用於大功率領域；而薄膜電路則主要在高頻率、高精度方面發展其應用領域。

目前，單片集成電路技術和混合集成電路技術的相互滲透和結合，發展特大規模和全功能集成電路系統，已成為集成電路發展的一個重要方向。

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