集成电路基础知识

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1、集成电路技术发展趋势目 前 , 以 集 成 电 路 为 核 心 的 电 子 信 息 产 业 超 过 了 以 汽 车 、 石 油 、 钢 铁 为 代 表 的传统 工业 成为 第一大 产业 ,成 为 改造 和 拉动 传 统 产业迈 向数 字 时代 的强 大引擎和雄厚基 石。 1999 年全球 集成电路的 销售额 为 1250 亿美元 ,而以集成 电路为核心的电 子信 息产业的世界 贸易总 额约 占世界 GNP 的 3%, 现代经济发 展的数据表明,每 l2 元的 集成电路产 值,带 动了 10 元左右电子工 业产 值的形 成,进而 带动 了 100 元 GDP 的增长 。目前 ,发 达国家 国民经

2、济总产 值增 长部分 的 65% 与 集 成 电 路 相 关 ；美 国 国 防 预 算 中 的 电 子 含 量 已 占 据 了 半 壁 江 山 （2001 年 为 43.6%） 。 预 计 未 来 10 年 内 , 世 界 集 成 电 路 销 售 额 将 以 年 平 均 15% 的 速 度 增长,2010 年将达 到 60008000 亿 美元。 作为当 今世界经济 竞争的 焦点 ,拥有 自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞 争的筹码和国家安全的保障。集成电路的 集成 度和产品性能 每 18 个 月增加 一倍。据专家预测 ,今后 20 年左右,集成 电路技 术及其

3、 产品仍将遵 循这一 规律发展。集成 电路 最重要 的生产 过程 包括:开发 EDA（ 电子设 计自动 化）工具,利用 EDA 进行集 成电 路设计 ,根据设计结 果在硅圆片 上加工 芯片 （主要 流程 为薄膜 制造、曝 光和刻蚀）,对加 工完 毕的芯 片进行 测试 ,为芯 片进行 封装,最后经应用 开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。20 世纪 80 年代中 期我国集成电 路的加 工水平为 5 微米，其 后，经历了 3、 1、 0.8 、 0.5 、 0.35 微米的发 展，目 前达到 了 0.18 微 米的水 平，而 当前 国际水 平 为 0.09 微 米 （ 90 纳 米 ）， 我

4、 国 与 之 相 差 约 为 2-3 代 。（1）设 计工具与设 计方法 。随着 集成电 路复杂 程度 的不断 提高，单 个芯 片容纳器件的数量急剧增加，其设计工具也由最初的手工绘制转为计算机辅 助设计（ CAD ），相 应 的设 计工具 根据市场需求 迅速 发展，出 现了 专门的 EDA 工具供应商。目前 ，EDA 主要市 场份 额为美 国的 Cadence 、Synopsys 和 Mentor 等少数企业所垄 断。中 国华大 集成电 路设计 中心 是国内 唯一一 家 EDA 开发和 产品供应商。由于整机系统不断向轻、薄、小的方向发展，集成电路结构也由简单功 能转向具备更多 和更 为复杂的功

5、能 ，如彩 电由 5 片机 到 3 片机直 到现在的单 片机，手机用集 成电路也经 历了由 多片到 单片 的变化 。目前 ，SoC 作为系统 级集成电路，能 在单 一硅芯片上实 现信号 采集 、转换 、存储 、处 理和 I/O 等 功能，将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一 个完整系统的功能。它的制造主要涉及深亚微米技术，特殊电路的工艺兼容 技术，设计方法的研究，嵌入式 IP 核设计技术，测试策略和可测性技术，软 硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础，把已有优化的子 系统甚至 系统级模 块纳入 到新的系统设计 之中,实现了集成电路 设计能力的 第

6、 4 次飞跃。(2) 制造工艺与相关设备。 集成电路加工制造是一项与专用 设 备密 切相关的技术,俗称一代设备,一代工艺,一代产品。 在集成电路制造技术 中,最关键 的是薄膜生成技 术和 光刻技术。光 刻技术 的 主要设备是曝光机和刻蚀机,目前 在 130nm 的 节 点 是 以 193nmDUV(Deep Ultraviolet Lithography)或 是 以 光 学 延展 的 248nmDUV 为 主 要 技 术 ,而 在 l00nm 的 节 点 上 则 有 多 种 选 择 :157nm DIJV 、 光学延展的 193nm DLV 和 NGL 。 在 70nm 的 节点则使用 光学延

7、展的 157nm DIJV 技术或者选择 NGL 技术 。到 了 35nm 的节点范围以下,将是 NGL 所主宰 的时代,需要在 EUV 和 EPL 之间做出选择。此外,作为 新一代的 光刻技术 ,X 射 线和 离子投影光刻技术也在研究之中。(3) 测试。由于系统芯片(SoC)的测试成本几乎占芯片成本的一半，因此未 来集成电路测 试面临的 最大挑战是如何降低测 试成 本。 结构测试 和内置自测 试可大大缩短测试开发时间和降低测试 费用 。 另一 种降低测试成 本的 测试方 式是采用 基于故障的 测试。 在广泛采用 将不同 的 IP 核集成 在一起的情况下， 还需解决时钟异步测试问题。 另一个要

8、解决的 问题是提高模拟电路的 测试速 度。(4) 封装。电 子产品向便携式/小型化、网 络化和 多媒体化方向发展的 市场 需求对电 路组装技 术提出 了苛刻需求，集成 电路封装技术 正在朝以 下方向发 展: 裸芯片技 术。 主要有 COB(ChipOI1Board) 技术 和 Flip Chip( 倒装片 )技 术两种形式。 微组装技 术。是 在高密度多层互连基板上，采用 微焊接和封装工艺组装 各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片 ，形成 高密度、高速度、高可靠 的三维立体机构的高级微电子组件的技术,其代表产品为多芯片组件(MCM)。 圆片级封装。 其主要特征是：器件的外引出端和包封体是在

9、已 经过前 工序的硅圆片上完成 ,然后将这类圆片 直接切割分离成单个独立器件。 无焊 内建层(Bumpless Build-Up Layer, BBLIL) 技术。该技 术能使 CPIJ 内 集成的晶体管数量达到 10 亿个,并且在高 达 20GHz 的 主频下运行,从而使 CPU达到每秒1亿次的运算速度。此外，BBUL 封装技术还能在同一封装中支 持多个处理器,因 此 服务器的处理器可以在一 个封装中有 2 个内 核,从而比独 立封装的双处理器获得更高的运算速度。此外，BBUL 封装技术还能降低CPIJ 的电源消耗,进而可减少高 频产生的热量。（5）材料。 集成 电路的 最初材 料是锗 ，而

10、后为硅 ，一些 特种 集成电路（如光电 器件）也采用三五族（如砷化镓）或二六族元素（如硫化镉、磷化铟）构成的 化合 物半导体。 由于硅在电学、物理和经济方面具有不可替代的 优越性，故目前硅 仍占据集成电路材料的 主流地位。鉴 于在同样芯片面积的 情况下，硅圆片直径 越大，其经济性能就越优越，因此硅单晶材料的直径经历了 1、2、3、5、6、8 英寸的历史进程，目前，国内外加工厂多采用 8 英寸和 12 英寸硅片生产，16 和 18英寸（450mm）的硅单晶及其设备正在开发之中,预计2016年左右18英寸硅 片将投入生产。此 外 ,为 了 适 应 高 频 、 高 速 、 高 带 宽 的 微 波 集

11、 成 电 路 的 需 求 ,SoI （Silicon-on-Insulator） 材 料 , 化 合 物 半 导 体 材 料 和 锗 硅 等 材 料 的 研 发 也 有 不 同 程度的进展。（6）应用。应用是集成电路产业链中 不可或缺的 重要环节,是集成电路最终 进入消费者手中 的必经之途。 除众所周知的计 算机、通信、网络、消费类产 品的 应用外,集成电路正 在不断开拓新的 应用领域,诸如微机电系统,微光机电 系统,生物芯片（如 DNA 芯片）,超导等。 这些创新的 应用领域正在 形成新的产 业增长点。（7）基础研 究。 基础研 究的 主要内 容是开 发新 原理器 件,包括:共振 隧穿器 件（RTD）、单电子晶体管（SET）、量子电子器件、分子电子器件、自旋电子器 件等。 技术的发 展使微电子在 21 世纪进入了纳米领域,而纳电子 学将为集成 电路带来一场新的革命。