集成電路技術產業及技術介紹梳理

本文從概念入手，從幾個維度全面解讀集成電路產業鏈和相關的一些技術介紹，務求讓大家看完此文，對集成電路的一些基礎的流程和技術有簡單的了解：

集成電路：從發明到應用

集成電路（ IC）是指經過特種電路設計，利用半導體加工工藝，集成於一小塊半導體（如矽、鍺等） 晶片上的一組微型電子電路。

IC 被廣泛應用之前，傳統的分立電路多以導線連接獨立的電路元件而構成。

而集成電路相對於此，在體積上， 單片集成電路可比同樣功能的分立電路小數倍； 結構上， IC 非常緊湊，可使多達數十億的電晶體等元件存在於一個人類指甲大小的面積上。

半導體優越的技術性能、 半導體設備製造技術的飛速發展、集成電路高效率的大規模生產以及採用結構單元的電路設計方式，使標準化集成電路迅速取代了過去運用分立元件的傳統電路設計。

IC 巨大的技術優勢體現在兩方面： 成本與性能。

晶片通過光刻技術被整體印製成獨立單元，加上採用極少材料的封裝技術——使成本得以大幅降低；微小的體積以及元件的緊密排布使信息切換速度極快並且產生更少的能耗——其工作性能亦十分卓越。

分立電路和集成電路產品

圖 1 左側是典型的前臵放大器分立電路， 電路板面積 12880 平方毫米，電晶體數量62 顆，右側英特爾酷睿 i7 中央處理器，核心面積 159.8 平方毫米，電晶體數量約 14.8億顆。

如今集成電路已被廣泛應用於所有電子設備，並推動了電子時代的到來，傳媒、教育、娛樂、醫療、軍工、通訊等各領域的發展均離不開性能卓越的集成電路設備。

同時正因 IC 低成本、高性能的特質，才使得計算機、行動電話以及其他家用電子電器變為當今社會生活中不可或缺的組成部分。

（1）集成電路的發明與發展

1947年底第一塊電晶體問世，同為主動元件，相對於真空管，電晶體具有體積小、能耗低， 性能優越的特點，並且克服了真空管易碎的缺點，使其很快就成為了新興產業。

在實際運用中， 由於電晶體需要逐一單個生產， 由其構成的分立電路亦十分複雜且體積龐大，造成了大量使用上的不便，於是1952年英國人Dummer就提出集成電路的想法，取得突破的是德州儀器的Kilby在1958年基於鍺晶體研製出世界第一塊IC，但Kilby使用極細的金屬絲作為連接線，這種情況下難以大規模生產IC， 1959年初，仙童公司的Noyce用光刻技術在矽基質上製作金屬鋁連線，使得整個IC都可以用平面工藝製作，在此基礎上工業大規模生產IC成為可能，兩人也因此被認為是集成電路的共同發明者。

根據集成電路技術所實現的具體功能，集成電路主要可以分為模擬集成電路、 數字集成電路和數/模混合集成電路三大類。

模擬集成電路又稱線性電路， 用來產生、放大和處理各種模擬信號（幅度隨時間變化），其輸入信號和輸出信號成比例關係，應用於各類模擬信號處理單元、放大器、濾波器、數據機等等。

數字集成電路則處理各種數位訊號（在時間上和幅度上離散取值），應用領域十分廣泛，如計算機CPU、內存、各類電器的微控制器等。

數/模混合集成電路在同一個電路系統中通過信號轉換，結合了模電以及數電單元，以實現複雜的技術控制功能，基於該技術的SoC（系統級晶片）現已成為IC領域最具潛力的發展方向之一。

模擬、數字、數模混合電路代表產品

左圖是模擬電路代表產品——運用模擬信號傳輸技術的無線電通訊雷達站，中圖是數字電路代表產品——實現超高速數字運算功能的國產超級計算機， 右圖是SoC（系統級晶片）示意圖。

由於數字集成電路具有數字運算、邏輯處理的功用，該技術被廣泛應用於現代集成電路晶片製造領域。

其中， CMOS數字集成電路現已成為構建特種運算、邏輯、控制電路的主流技術。

從時間角度劃分， 在技術發展的早期，簡單的集成電路受技術規模的局限， 單個晶片往往只能承載數個電晶體。

過低的電路集成度同時意味著晶片設計過程十分簡單、製造產量極低。

伴隨著科技的進步，數十億的電晶體得以被臵於一塊晶片之上。

良好的電路設計要求周密的線路規劃，這使得新型的電路設計方法同樣實現了飛速的發展。

不同時間段晶片集成度

集成電路產業化過程

IC產業化初期主要用於航天和軍事，美國阿波羅11號登月成功和兩次海灣戰爭是IC應用於航天和軍事最成功的案例， 1980年IBM研製出第一代商用化PC， IC在民用電子領域的發展逐漸加速，其發展過程主要經歷了三次重要的變革，每次變革主要是因為單一公司的資本支出或技術無法支撐IC產業進一步發展，在此過程中，行業內公司的經營模式變得多樣化，新的廠商的進入也導致整個行業發生結構性變化。

集成電路產業垂直分工歷程

第一次變革——電腦元件的標準化。

1960年至1970年，系統廠商包辦了所有的設計和製造，隨著電腦的功能要求越來越多，整個設計過程耗時較長，使得部分系統廠商產品推出時便已落伍， 因此，有許多廠商開始將使用的硬體標準化， 1970年左右，微處理器、存儲器和其他小型IC元件逐漸標準化，也由此開始區分系統公司與專業集成電路製造公司。

第二次變革——ASIC（特殊應用集成電路）技術的誕生。

雖然有部分集成電路標準化，但在整個電腦系統中仍有不少獨立IC，過多的IC使得運行效率不如預期， ASIC技術應運而生，同時系統工程師可以直接利用邏輯門元件資料庫設計IC，不必了解電晶體線路設計的細節部分，設計觀念上的改變使得專職設計的Fabless公司出現，專業晶圓代工廠Foundry的出現填補了Fabless公司需要的產能。

第三次變革——IP（集成電路設計智慧財產權模塊）的興起。

由於半導體製程的持續收縮，使得單一晶片上的集成度提高，如此一來，只是用ASIC技術，很難適時推出產品，此時IP概念興起， IP即將具有某種特定功能的電路固定化，當IC設計需要用到這項功能時，可以直接使用這部分電路，隨之而來的是專業的IP與設計服務公司的出現。

IC 多採用單片單晶矽作為半導體基質，並在該基質上構建各種複雜電路。

單晶矽材料可由常見的富含二氧化矽的砂石經過提煉獲得， 同時，矽元素僅次於氧元素，是地殼中第二豐富的元素， 構成地殼總質量的 26.4%。

由價格低廉的沙子到性能卓越的晶片，集成電路「點石成金」的製作流程可分為設計、 製造、 封測（封裝和測試） 三個步驟。

集成電路晶片生產流程

經過提純得到的多晶矽經過高溫熔融，通過拉晶工藝製成純度高達 99.9999999%以上的高純單晶矽晶柱。

切割晶柱並通過拋光、研磨等工藝，得到薄而光滑的晶圓，後進行檢測。

按照設計好的電路，對晶圓進行顯影、 摻雜、 蝕刻等複雜的加工處理，分小格，將集成電路「印」在晶圓上。

經過晶圓測試後，從晶圓上切割出質量合格的晶塊，後進行封裝。

封裝測試通過後，得到可以使用的集成電路晶片。

整個 IC 生產技術的提高體現在這三個領域各自的進化，設計端由早期工程師手工設計進化至如今引入了 EDA（ 電子設計自動化）技術；製造端體現在晶圓尺寸的增加和集成度的提高；封測端則由晶片層級拓展至系統層級。

下部分也將按該製作流程，介紹每部分技術和市場情況。

IC 設計、製造與封測

（一）設計部分

初期的 IC 設計是由工程師們手工繪製版圖，電路設計都是從器件的物理版圖設計入手，隨著計算機軟體技術的進步，工程師可以設計出集成度更高的電路圖，同時設計方法也發生了改變， Top-Down（ 自頂向下）設計方法逐漸取代 Bottom-Up（自底向上）成為主流設計方法。

Top-Down 設計是一開始就進行規格制定，類似於建築設計時需要確定幾個房間和每個房間的用途，以及需要遵守的規則；然後是藉助 HDL（硬體描述語言）、EDA 等工具生成電路圖。

IC 設計的不同階段

IC 設計最初作為大公司的一個部分， 1984 年 Xilinx 的成立正式開啟無工廠代工模式（ Fabless），發展至今也僅僅有 30 多年的時間， 2015 年 IC 設計產業的市場規模達 842億美元， 總部設於美國的 IC 設計公司囊括了全球 IC 設計產業營收的 62%， 台灣 IC 設計公司占比為 18%，排名第二， 中國大陸與歐洲 IC 設計公司勢力此消彼長。

大陸 IC 設計產業近年來急起直追，目前全球市場占比已達 10%，排行第三； 歐洲 IC 設計產業則受到當地第二大與第三大 IC 設計公司 CSR、Lantiq 分別被高通(Qualcomm)、英特爾 (Intel)收購影響，導致歐洲 IC 設計公司的全球占比下滑到 2%。

2015 年全球各地區 IC 設計公司營收占比

目前市場上從事 IC 設計的公司數量眾多，僅僅中國 2015 年設計企業總數就達到了736 家，不同種類的 IC 設計所用到的軟體和需要遵守的規則差別較大，較早進入這個市場的公司先發優勢明顯，主要包括：豐富的設計經驗、參與標準的制定和專利。

本部分主要從市場的角度介紹目前各個領域的 IC 設計情況。

IC 產品依其功能，主要可分為存儲器 IC、微元件 IC、邏輯 IC、模擬 IC，各個領域可再進行細分。

IC 產品分類圖（依功能劃分）

各部分 IC 市場份額

（1）存儲器

存儲器是指利用電能方式存儲信息的半導體介質設備，其存儲與讀取過程體現為電子的存儲或釋放，廣泛應用於內存、 U 盤、消費電子、智能終端、固態存儲硬碟等領域，存儲晶片根據斷電後所存儲的數據是否會丟失， 可以分為易失性存儲器（ VolatileMemory）和非易失性存儲器（ Non-Volatile Memory），其中 DRAM 與 NAND Flash 分別為這兩類存儲器的代表。

儘管存儲晶片種類眾多，但從產值構成來看， DRAM 與 NAND Flash 已經成為存儲晶片產業的主要構成部分。

存儲晶片的分類

存儲晶片一直由 IDM 廠商主導，而且相對於製造工藝， IC 設計在存儲晶片領域起到的作用並不明顯，這裡只簡單介紹 NAND Flash 和 DRAM 兩大存儲市場的現狀。

2016 年第一季度 NAND Flash 品牌廠商營收排名

2016 年第一季度 DRAM 品牌廠商營收排名

（2）模擬 IC 和邏輯 IC

模擬 IC 是處理連續性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號，模擬 IC 按技術類型來分有隻處理模擬信號的線性 IC 和同時處理模擬與數位訊號的混合 IC。

模擬 IC 按應用來分可分為標準型模擬 IC 和特殊應用型模擬 IC。

標準型模擬 IC 包括放大器、信號介面、數據轉換、比較器等產品。

特殊應用型模擬 IC 主要應用在 4 個領域，分別是通信、汽車、電腦周邊和消費類電子。

2014 年前十大模擬 IC 廠商銷售額（單位：百萬美元）

邏輯 IC 可分為標準邏輯 IC 及特殊應用 IC （ ASIC），標準邏輯 IC 提供基本邏輯運算，並大量製造，而 ASIC 是為單一客戶及特殊應用而量身定做的 IC，具有定製化、差異化及少量多樣的特性，主要應用於產業變動快、產品差異化高及整合度需求大的市場。

（3）微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器（ MPU）、微控制器（ MCU）、數位訊號處理器（ DSP）及微周邊設備（ MPR）。

MPU 是微元件 IC 中的最重要的產品，主要用於個人電腦、工作站和伺服器， CPU 是其中的一種，目前以 Intel 公司為 MPU 產業龍頭。

MCU 又稱為單片微型計算機或者單片機，是把中央處理器的頻率與規格適當縮減，並將內存、計數器、USB、 A/D 轉換、 UART、 PLC、 DMA 等周邊接口，甚至 LCD 驅動電路都整合在單一晶片上，形成晶片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。

諸如手機、 PC 外圍、遙控器，至汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到 MCU 的身影。

DSP 晶片即指能夠實現數位訊號處理技術的晶片， 近年來，數位訊號處理器(DSP)晶片已經廣泛用於自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數位訊號處理提供了高效而可靠的硬體基礎。

MPR 則是支持 MPU 及 MCU 的周邊邏輯電路元件。

（二）製造部分

集成電路製造過程可分為晶圓製造和晶圓加工兩部分。

前者指運用二氧化矽原料逐步製得單晶矽晶圓的過程；後者則指在製備的晶圓材料上構建完整的集成電路晶片。

（1）晶圓製造

由於晶片極高的電路集成度，其電路對於半導體基質（晶圓）的材料純度要求亦十分嚴苛。

由各種元素混雜的矽石到矽純度達 99.9999999%（稱為 9N）的矽單晶晶圓，晶圓的製造流程，因此可以被認為是矽材料不斷提純的過程：

1）「冶金級矽」製備：從二氧化矽到「金屬矽」

由矽石等富含二氧化矽（ SiO2）的礦物資源通過提純得到高純度二氧化矽。

充足的高純度二氧化矽原料與富含碳原子（ C）的煤炭、木炭等反應物被臵於電爐中，在 1900℃的高溫下， 二氧化矽與碳發生氧化還原反應： SiO2 + 2 C → Si + 2 CO， 初步製得矽（ Si）材料。

從二氧化矽到「金屬矽

由於此過程類似通過氧化還原反應冶煉鐵、銅等金屬的冶金過程，故此過程製備的矽材料被稱為「冶金級矽」，又稱「金屬矽」。

「高純」金屬矽材料的矽含量可達 98%，但這仍不能達到製成集成電路晶片的純度要求。

2）西門子製程：從金屬矽到多晶矽

冶金級矽的產量占全球矽元素產品產量的 20%，該產品被大量運用於鋁矽合金鑄造業與化工產業。

其中，僅有 5~10%的冶金級矽被用於再次提純，進而製成高純度「電子級矽」（電子級矽產量不到全球矽產品產量的 1~2%）。

為進一步提純矽材料，產業多先轉化冶金級矽材料為含矽元素的揮發性液體，如三氯矽烷（ HSiCl3）、四氯化矽（ SiCl4），或直接轉化為氣體矽烷（ SiH4）。

之後，在密閉反應室中臵入表面溫度達 1150℃的高純矽芯，通入三氯矽烷氣體。

通過化學分解作用，高純度矽材料得以直接「生長」於矽芯表面，由此提高矽材料純度。

從「 金屬矽」 到多晶矽

該製程被稱為化學氣相沉積法（ CVD），用以製備高純多晶矽。

該技術於 1954 年德國西門子公司申請專利，故又稱「西門子製程」。

此後的改良西門子法大大降低了製造能耗，並可使製備的多晶矽材料純度達到 99.9999%（ 6N）。

其他製程，如流化床反應器技術（ FBR）、升級冶金矽技術（ UMG-Si）等，亦被應用於高純多晶矽生產，但改良西門子法仍占據產量的多數（達總產量的 88%）。

3）柴可拉斯基製程（「拉晶工藝」）：從多晶矽到單晶矽

6N 純度的多晶矽材料仍不能應用於微電子領域。

並且電學性質方面，多晶矽的導電性以無法達到晶片級技術要求。

為有效控制半導體材料的量子力學特性，矽材料的純度仍需進一步提高。

通過反覆提純的過程，最終用於集成電路生產的矽材料純度需達到99.9999999%（ 9N）水平。

由高純多晶矽提純高純單晶矽，主流的製備工藝為「柴可拉斯基製程」：柴可拉斯基製程指製備半導體（如矽、鍺、砷化鎵）、金屬、鹽類、合成寶石等的單晶的晶體生長過程。

從多晶矽到電子級矽

上一步驟製備的高純多晶矽， 在 1425℃的高溫下熔融於坩堝容器中。

可加入摻雜劑原子如硼（ B）、磷（ P）原子對半導體進行摻雜，以製成具有不同電子特性的 p 型或 n型半導體。

將轉動的高純單晶矽晶棒沒入熔融的多晶矽中，緩慢地轉動並同時向上拉出晶棒。

同時，盛放熔融物的坩堝以晶棒轉動的反向轉動。

通過精確控制溫度變化、拉晶速率、旋轉速度，得以從熔融物中提取出標準化的大型圓柱體單晶晶柱，晶柱可高達兩米，重約數百千克。

矽晶柱直徑決定了切割出晶圓的直徑， 更大的晶圓意味著單塊晶圓上得以印刻更多的集成電路晶片，生產效率可以得到極大提升。

現階段，晶圓製造廠主要生產直徑為200mm 和 300mm 的晶圓。

到 2018 年， 450mm 直徑的晶圓預計可以實現量產。

另外，為保證單晶矽材料純度，晶柱生長的過程通常於惰性氣體（如氬氣 Ar）環境下在惰性反應容器（如石英坩堝）中進行。

在國內，此工藝常被形象地稱為製備高純單晶矽的「拉晶工藝」，此法製備的高純單晶矽矽錠純度可達 99.9999999%（ 9N），具有優良的半導體量子力學特性，可以被用於集成電路製造領域——該材料因此被稱為「電子級矽」。

另外，在工業生產中懸浮區熔法等技術也被用於多晶矽至單晶矽的提純過程。

其缺點是製備的晶柱直逕往往小於拉晶法的製成直徑。

4）最後一步：從晶柱到晶圓

製備了高純單晶矽晶柱後，需經過： 1 晶柱裁切與檢測、 2 外徑研磨、 3 切片、 4 圓邊、 5 研磨、 6 蝕刻、 7 去疵、 8 拋光、 9 清洗、 10 檢驗、 11 包裝等等十一個步驟進行處理。

從晶柱到晶圓

最終製成可供晶圓加工廠家使用的合格半導體晶圓。

極度平滑的矽晶圓厚度一般在0.2-0.75mm 之間，直接作為製造集成電路晶片的材料，由晶圓代工廠進行晶圓加工階段的處理。

（2）晶圓加工

晶圓加工技術是指在晶圓上製造用於電氣電子設備中的集成電路的過程。

該技術是一個多步驟、反覆處理的過程。

在實施過程中多次重複運用摻雜、沉積、光刻等工藝，最終實現將高集成度的複雜電路「印製」在半導體基質上的目的。

整個晶圓加工過程一般歷時六至八周，需要在高度專業化的晶圓加工廠中進行。

無塵車間

1）操作類型

晶圓加工過程與晶圓製造不同，晶圓加工領域的工廠各自遵循本公司特有的生產流程。

同時，先進的加工技術逐年推陳出新，使得生產流程不斷地發生著改變。

但是多樣化的製程工藝無外乎從屬於以下四個範疇： 沉積、 清除、 成像、 電學性質改變。

沉積是指製程中涉及生長、塗覆或將其他材料轉移至晶圓上的步驟。

沉積技術包括物理氣相沉積（ PVD）、化學氣相沉積（ CVD）、電化學沉積（ ECD）、分子束外延（ MBE）、相對先進的原子層沉積（ ALD）以及其他技術。

清除是指從晶圓上清除材料的技術。

例如蝕刻工藝（濕蝕刻或干蝕刻）與化學機械研磨技術（ CMP）。

成像塑造或改變沉積的材料，一般稱為光刻技術。

例如，常見的光刻工藝先將晶圓表面覆蓋一層化學物質——光刻膠，之後光刻機聚焦、校準並移動印有電路圖的光罩，將晶圓上的選中部分曝光於短波光線下。

被曝光的區域此後被顯影劑溶液洗去。

在蝕刻或其他製程之後，剩餘的光刻膠由等離子體灰化法清除。

電學性質改變指摻雜半導體，形成源極與漏極的步驟。

該技術過去由擴散爐技術實現，現在多運用離子植入技術。

摻雜過程之後晶圓接受爐內退火或更先進的快速熱退火（ RTA）處理。

退火過程激活了植入的摻雜劑。

電學性質改變目前也包括了通過紫外線製程降低 low-k 絕緣體材料介電常數的技術。

高端集成電路設計複雜，所需製程步驟繁多；多層金屬連接層技術用以實現大量元件間的有效連接。

當代晶片加工多經歷 300 多道製程步驟；可包含 11 層的金屬導線層。

光刻原理

摻雜及構建 CMOS 單元原理

加工好的晶圓在晶圓測試後，將進入晶片封裝廠商，進行最後的封裝測試。

2）製程邏輯

「印刻」於晶圓上的半導體元件需以金屬導體連接以實現特定的電路功能。

以上各種技術工藝按製程的先後順序，可劃分為前段製程（ FEOL）與後段製程（ BEOL）。

以集成於晶片上的元件的相互連接為分水嶺： FEOL 指沉積金屬導電層以前，於半導體基質上形成獨立元件（如三極體、電容、電阻、獨立的 CMOS）的前半段製程； BEOL 指金屬層沉積後，創建金屬導線，連接元件，並構成絕緣各導線的介電層的後半段製程。

晶圓加工製程圖例

左圖體現晶圓加工前段製程與後段製程的具體內容；右圖為晶圓上單個 CMOS 模塊的縱切圖，從下到上的三個部分符合晶片的三個製程： FEOL 前段製程、 BEOL 後段製程、 Packaging 封裝製程。

（三）封裝部分

集成電路封裝是半導體設備製造過程中的最後一個環節。

在該環節中，微小的半導體材料模塊會被臵於一個保護殼內，以防止物理損壞或化學腐蝕。

集成電路晶片將通過封裝「外殼」與外部電路板相連。

封裝過程後，通過封裝測試的成品集成電路設備，將作為成品最終投入的下游設備的應用中去。

集成電路的封裝

（1）封裝技術的發展演變

追隨摩爾定律，晶片集成度日益提高，單體集成電路需要日益增多的引腳與外部設備連接，以實現更複雜的邏輯控制功能；同時，隨著科技進步，各類電子設備向著小型化、智能化發展，電路系統的微縮要求集成電路晶片的體量不斷減小。

所以，保證性能的前提下，「多引腳、小體量」的晶片封裝始終是集成電路封裝技術的發展方向。

隨著封裝技術的發展，集成電路封裝模式不斷推陳出新。

目前，各種封裝技術均用於不同的市場領域。

這裡，按照各種工藝出現的先後順序介紹市場上主流的一些封裝技術。

最早的集成電路封裝於扁平的陶瓷管體內，由於其可靠性與較小的體量，在軍事領域被應用多年。

隨後陶瓷管體的封裝模式很快進步至塑料管體的 DIP（雙列直插式封裝）。

雙列直插式封裝

在 1980 年代， VLSI 規模集成電路的引腳數量超過了 DIP 封裝的技術限制。

PGA(插針網格陣列)封裝及 LCC（無引線晶片載體）封裝投入生產，用以突破 DIP 封裝的限制。

插針網格陣列封裝（左）和無引線晶片載體封裝（右）

表面黏著式封裝出現於 80 年代早期，並於 80 年代末期興盛。

用於小外形集成電路的鷗翼型封裝與 J-引腳封裝採用優化的引腳間距，使得運用該技術的封裝比等效的 DIP封裝占用面積少 30-50%，厚度薄 70%。

鷗翼型封裝（左）和 J-引腳封裝（右）

下階段，封裝技術迎來了巨大的技術創新——表面陣列封裝。

該技術在封裝管體的表面鋪設連接節點，因此得以提供比此前封裝技術更多的外部連接（此前的封裝方式只在管體周圍引出接點）。

其中 BGA（球柵陣列）封裝成為廣泛應用的封裝技術之一。

球柵陣列封裝

BGA 封裝技術在 1970 年代便已經存在。

1990 年代，該技術演進至 FCBGA（ 倒裝晶片球柵陣列）封裝。

FCBGA 封裝允許存在多於任何封裝技術的針腳數量。

在 FCBGA管殼內，晶片被正面朝下倒裝並通過類似於印刷電路板的基體（不通過引線），與管體球柵建立連接。

因此 FCBGA 可以允許成陣列的輸入輸出信號分散連接至整個晶片表面，而非限制於晶片四周。

倒裝晶片球柵陣列封裝

來源：內容來自國元證券股份有限公司 ，謝謝。

轉載自公眾號，用於知識分享。