集成电路设计与集成系统:集成电路技术产业及

本文从概念入手,从几个维度全面解读集成电路产业链和相关的一些技术介绍,务求让大家看完此文,对集成电路的一些基础的流程和技术有简单的了解:

集成电路( IC)是指经过特种电路设计,利用半导体加工工艺,集成于一小块半导体(如硅、锗等) 晶片上的一组微型电子电路。 IC 被广泛应用之前,传统的分立电路多以导线连接独立的电路元件而构成。 而集成电路相对于此,在体积上, 单片集成电路可比同样功能的分立电路小数倍; 结构上, IC 非常紧凑,可使多达数十亿的晶体管等元件存在于一个人类指甲大小的面积上。 半导体优越的技术性能、 半导体设备制造技术的飞速发展、集成电路高效率的大规模生产以及采用结构单元的电路设计方式,使标准化集成电路迅速取代了过去运用分立元件的传统电路设计。

IC 巨大的技术优势体现在两方面: 成本与性能。 芯片通过光刻技术被整体印制成独立单元,加上采用极少材料的封装技术——使成本得以大幅降低;微小的体积以及元件的紧密排布使信息切换速度极快并且产生更少的能耗——其工作性能亦十分卓越。

图 1 左侧是典型的前臵放大器分立电路, 电路板面积 12880 平方毫米,晶体管数量62 颗,右侧英特尔酷睿 i7 中央处理器,核心面积 159.8 平方毫米,晶体管数量约 14.8亿颗。

如今集成电路已被广泛应用于所有电子设备,并推动了电子时代的到来,传媒、教育、娱乐、医疗、军工、通讯等各领域的发展均离不开性能卓越的集成电路设备。同时正因 IC 低成本、高性能的特质,才使得计算机、移动电话以及其他家用电子电器变为当今社会生活中不可或缺的组成部分。

1947年底第一块晶体管问世,同为主动元件,相对于真空管,晶体管具有体积小、能耗低, 性能优越的特点,并且克服了真空管易碎的缺点,使其很快就成为了新兴产业。在实际运用中, 由于晶体管需要逐一单个生产, 由其构成的分立电路亦十分复杂且体积庞大,造成了大量使用上的不便,于是1952年英国人Dummer就提出集成电路的想法,取得突破的是德州仪器的Kilby在1958年基于锗晶体研制出世界第一块IC,但Kilby使用极细的金属丝作为连接线,这种情况下难以大规模生产IC, 1959年初,仙童公司的Noyce用光刻技术在硅基质上制作金属铝连线,使得整个IC都可以用平面工艺制作,在此基础上工业大规模生产IC成为可能,两人也因此被认为是集成电路的共同发明者。

根据集成电路技术所实现的具体功能,集成电路主要可以分为模拟集成电路、 数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

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(幅度随时间变化),其输入信号和输出信号成比例关系,应用于各类模拟信号处理单元、放大器、滤波器、调制解调器等等。

数字集成电路则处理各种数字信号(在时间上和幅度上离散取值),应用领域十分广泛,如计算机CPU、内存、各类电器的微控制器等。

数/模混合集成电路在同一个电路系统中通过信号转换,结合了模电以及数电单元,以实现复杂的技术控制功能,基于该技术的SoC(系统级芯片)现已成为IC领域最具潜力的发展方向之一。

左图是模拟电路代表产品——运用模拟信号传输技术的无线电通讯雷达站,中图是数字电路代表产品——实现超高速数字运算功能的国产超级计算机, 右图是SoC(系统级芯片)示意图。

由于数字集成电路具有数字运算、逻辑处理的功用,该技术被广泛应用于现代集成电路芯片制造领域。其中, CMOS数字集成电路现已成为构建特种运算、逻辑、控制电路的主流技术。

从时间角度划分, 在技术发展的早期,简单的集成电路受技术规模的局限, 单个芯片往往只能承载数个晶体管。过低的电路集成度同时意味着芯片设计过程十分简单、制造产量极低。伴随着科技的进步,数十亿的晶体管得以被臵于一块芯片之上。良好的电路设计要求周密的线路规划,这使得新型的电路设计方法同样实现了飞速的发展。

IC产业化初期主要用于航天和军事,美国阿波罗11号登月成功和两次海湾战争是IC应用于航天和军事最成功的案例, 1980年IBM研制出第一代商用化PC, IC在民用电子领域的发展逐渐加速,其发展过程主要经历了三次重要的变革,每次变革主要是因为单一公司的资本支出或技术无法支撑IC产业进一步发展,在此过程中,行业内公司的经营模式变得多样化,新的厂商的进入也导致整个行业发生结构性变化。

第一次变革——电脑元件的标准化。 1960年至1970年,系统厂商包办了所有的设计和制造,随着电脑的功能要求越来越多,整个设计过程耗时较长,使得部分系统厂商产品推出时便已落伍, 因此,有许多厂商开始将使用的硬件标准化, 1970年左右,微处理器、存储器和其他小型IC元件逐渐标准化,也由此开始区分系统公司与专业集成电路制造公司。

第二次变革——ASIC(特殊应用集成电路)技术的诞生。虽然有部分集成电路标准化,但在整个电脑系统中仍有不少独立IC,过多的IC使得运行效率不如预期, ASIC技术应运而生,同时系统工程师可以直接利用逻辑门元件资料库设计IC,不必了解晶体管线路设计的细节部分,设计观念上的改变使得专职设计的Fabless公司出现,专业晶圆代工厂Foundry的出现填补了Fabless公司需要的产能。

第三次变革——IP(集成电路设计知识产权模块)的兴起。由于半导体制程的持续收缩,使得单一晶片上的集成度提高集成电路设计与集成系统,如此一来,只是用ASIC技术,很难适时推出产品,此时IP概念兴起, IP即将具有某种特定功能的电路固定化,当IC设计需要用到这项功能时,可以直接使用这部分电路,随之而来的是专业的IP与设计服务公司的出现。

IC 多采用单片单晶硅作为半导体基质,并在该基质上构建各种复杂电路。单晶硅材料可由常见的富含二氧化硅的砂石经过提炼获得, 同时,硅元素仅次于氧元素,是地壳中第二丰富的元素, 构成地壳总质量的 26.4%。由价格低廉的沙子到性能卓越的芯片,集成电路“点石成金”的制作流程可分为设计、 制造、 封测(封装和测试) 三个步骤。

经过提纯得到的多晶硅经过高温熔融,通过拉晶工艺制成纯度高达 99.9999999%以上的高纯单晶硅晶柱。切割晶柱并通过抛光、研磨等工艺,得到薄而光滑的晶圆,后进行检测。 按照设计好的电路,对晶圆进行显影、 掺杂、 蚀刻等复杂的加工处理,分小格,将集成电路“印”在晶圆上。经过晶圆测试后,从晶圆上切割出质量合格的晶块,后进行封装。封装测试通过后,得到可以使用的集成电路芯片。

整个 IC 生产技术的提高体现在这三个领域各自的进化,设计端由早期工程师手工设计进化至如今引入了 EDA( 电子设计自动化)技术;制造端体现在晶圆尺寸的增加和集成度的提高;封测端则由芯片层级拓展至系统层级。 下部分也将按该制作流程,介绍每部分技术和市场情况。

初期的 IC 设计是由工程师们手工绘制版图,电路设计都是从器件的物理版图设计入手,随着计算机软件技术的进步,工程师可以设计出集成度更高的电路图,同时设计方法也发生了改变, Top-Down( 自顶向下)设计方法逐渐取代 Bottom-Up(自底向上)成为主流设计方法。 Top-Down 设计是一开始就进行规格制定,类似于建筑设计时需要确定几个房间和每个房间的用途,以及需要遵守的规则;然后是借助 HDL(硬体描述语言)、EDA 等工具生成电路图。

IC 设计最初作为大公司的一个部分, 1984 年 Xilinx 的成立正式开启无工厂代工模式( Fabless),发展至今也仅仅有 30 多年的时间, 2015 年 IC 设计产业的市场规模达 842亿美元, 总部设于美国的 IC 设计公司囊括了全球 IC 设计产业营收的 62%, 台湾 IC 设计公司占比为 18%,排名第二, 中国大陆与欧洲 IC 设计公司势力此消彼长。大陆 IC 设计产业近年来急起直追,目前全球市场占比已达 10%,排行第三; 欧洲 IC 设计产业则受到当地第二大与第三大 IC 设计公司 CSR、Lantiq 分别被高通(Qualcomm)、英特尔 (Intel)收购影响,导致欧洲 IC 设计公司的全球占比下滑到 2%。

目前市场上从事 IC 设计的公司数量众多,仅仅中国 2015 年设计企业总数就达到了736 家,不同种类的 IC 设计所用到的软件和需要遵守的规则差别较大,较早进入这个市场的公司先发优势明显,主要包括:丰富的设计经验、参与标准的制定和专利。本部分主要从市场的角度介绍目前各个领域的 IC 设计情况。

IC 产品依其功能,主要可分为存储器 IC、微元件 IC、逻辑 IC、模拟 IC,各个领域可再进行细分。

存储器是指利用电能方式存储信息的半导体介质设备,其存储与读取过程体现为电子的存储或释放,广泛应用于内存、 U 盘、消费电子、智能终端、固态存储硬盘等领域,存储芯片根据断电后所存储的数据是否会丢失, 可以分为易失性存储器( VolatileMemory)和非易失性存储器( Non-Volatile Memory),其中 DRAM 与 NAND Flash 分别为这两类存储器的代表。尽管存储芯片种类众多,但从产值构成来看, DRAM 与 NAND Flash 已经成为存储芯片产业的主要构成部分。

存储芯片一直由 IDM 厂商主导,而且相对于制造工艺, IC 设计在存储芯片领域起到的作用并不明显,这里只简单介绍 NAND Flash 和 DRAM 两大存储市场的现状。

模拟 IC 是处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号,模拟 IC 按技术类型来分有只处理模拟信号的线性 IC 和同时处理模拟与数字信号的混合 IC。模拟 IC 按应用来分可分为标准型模拟 IC 和特殊应用型模拟 IC。标准型模拟 IC 包括放大器、信号界面、数据转换、比较器等产品。特殊应用型模拟 IC 主要应用在 4 个领域,分别是通信、汽车、电脑周边和消费类电子。

逻辑 IC 可分为标准逻辑 IC 及特殊应用 IC ( ASIC),标准逻辑 IC 提供基本逻辑运算,并大量制造,而 ASIC 是为单一客户及特殊应用而量身定做的 IC,具有定制化、差异化及少量多样的特性,主要应用于产业变动快、产品差异化高及整合度需求大的市场。

微元件 IC 包括微处理器( MPU)、微控制器( MCU)、数字信号处理器( DSP)及微周边设备( MPR)。 MPU 是微元件 IC 中的最重要的产品,主要用于个人电脑、工作站和服务器, CPU 是其中的一种,目前以 Intel 公司为 MPU 产业龙头。 MCU 又称为单片微型计算机或者单片机,是把中央处理器的频率与规格适当缩减,并将内存、计数器、USB、 A/D 转换、 UART、 PLC、 DMA 等周边接口,甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、 PC 外围、遥控器,至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,都可见到 MCU 的身影。

DSP 芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片, 近年来,数字信号处理器(DSP)芯片已经广泛用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域;DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。 MPR 则是支持 MPU 及 MCU 的周边逻辑电路元件。

集成电路制造过程可分为晶圆制造和晶圆加工两部分。前者指运用二氧化硅原料逐步制得单晶硅晶圆的过程;后者则指在制备的晶圆材料上构建完整的集成电路芯片。

由于芯片极高的电路集成度,其电路对于半导体基质(晶圆)的材料纯度要求亦十分严苛。由各种元素混杂的硅石到硅纯度达 99.9999999%(称为 9N)的硅单晶晶圆,晶圆的制造流程,因此可以被认为是硅材料不断提纯的过程:

由硅石等富含二氧化硅( SiO2)的矿物资源通过提纯得到高纯度二氧化硅。充足的高纯度二氧化硅原料与富含碳原子( C)的煤炭、木炭等反应物被臵于电炉中,在 1900℃的高温下, 二氧化硅与碳发生氧化还原反应: SiO2 + 2 C → Si + 2 CO, 初步制得硅( Si)材料。

由于此过程类似通过氧化还原反应冶炼铁、铜等金属的冶金过程,故此过程制备的硅材料被称为“冶金级硅”,又称“金属硅”。“高纯”金属硅材料的硅含量可达 98%,但这仍不能达到制成集成电路芯片的纯度要求。

冶金级硅的产量占全球硅元素产品产量的 20%,该产品被大量运用于铝硅合金铸造业与化工产业。其中,仅有 5~10%的冶金级硅被用于再次提纯,进而制成高纯度“电子级硅”(电子级硅产量不到全球硅产品产量的 1~2%)。

为进一步提纯硅材料,产业多先转化冶金级硅材料为含硅元素的挥发性液体,如三氯硅烷( HSiCl3)、四氯化硅( SiCl4),或直接转化为气体硅烷( SiH4)。之后,在密闭反应室中臵入表面温度达 1150℃的高纯硅芯,通入三氯硅烷气体。通过化学分解作用,高纯度硅材料得以直接“生长”于硅芯表面,由此提高硅材料纯度。

该制程被称为化学气相沉积法( CVD),用以制备高纯多晶硅。该技术于 1954 年德国西门子公司申请专利,故又称“西门子制程”。此后的改良西门子法大大降低了制造能耗,并可使制备的多晶硅材料纯度达到 99.9999%( 6N)。

其他制程,如流化床反应器技术( FBR)、升级冶金硅技术( UMG-Si)等,亦被应用于高纯多晶硅生产,但改良西门子法仍占据产量的多数(达总产量的 88%)。

6N 纯度的多晶硅材料仍不能应用于微电子领域。并且电学性质方面,多晶硅的导电性以无法达到芯片级技术要求。为有效控制半导体材料的量子力学特性,硅材料的纯度仍需进一步提高。通过反复提纯的过程,最终用于集成电路生产的硅材料纯度需达到99.9999999%( 9N)水平。

由高纯多晶硅提纯高纯单晶硅,主流的制备工艺为“柴可拉斯基制程”:柴可拉斯基制程指制备半导体(如硅、锗、砷化镓)、金属、盐类、合成宝石等的单晶的晶体生长过程。

上一步骤制备的高纯多晶硅, 在 1425℃的高温下熔融于坩埚容器中。可加入掺杂剂原子如硼( B)、磷( P)原子对半导体进行掺杂,以制成具有不同电子特性的 p 型或 n型半导体。将转动的高纯单晶硅晶棒没入熔融的多晶硅中,缓慢地转动并同时向上拉出晶棒。同时,盛放熔融物的坩埚以晶棒转动的反向转动。通过精确控制温度变化、拉晶速率、旋转速度,得以从熔融物中提取出标准化的大型圆柱体单晶晶柱,晶柱可高达两米,重约数百千克。

硅晶柱直径决定了切割出晶圆的直径, 更大的晶圆意味着单块晶圆上得以印刻更多的集成电路晶片,生产效率可以得到极大提升。 现阶段,晶圆制造厂主要生产直径为200mm 和 300mm 的晶圆。到 2018 年, 450mm 直径的晶圆预计可以实现量产。 另外,为保证单晶硅材料纯度,晶柱生长的过程通常于惰性气体(如氩气 Ar)环境下在惰性反应容器(如石英坩埚)中进行。

在国内,此工艺常被形象地称为制备高纯单晶硅的“拉晶工艺”,此法制备的高纯单晶硅硅锭纯度可达 99.9999999%( 9N),具有优良的半导体量子力学特性,可以被用于集成电路制造领域——该材料因此被称为“电子级硅”。另外,在工业生产中悬浮区熔法等技术也被用于多晶硅至单晶硅的提纯过程。其缺点是制备的晶柱直径往往小于拉晶法的制成直径。

制备了高纯单晶硅晶柱后,需经过: 1 晶柱裁切与检测、 2 外径研磨、 3 切片、 4 圆边、 5 研磨、 6 蚀刻、 7 去疵、 8 抛光、 9 清洗、 10 检验、 11 包装等等十一个步骤进行处理。

最终制成可供晶圆加工厂家使用的合格半导体晶圆。极度平滑的硅晶圆厚度一般在0.2-0.75mm 之间,直接作为制造集成电路芯片的材料,由晶圆代工厂进行晶圆加工阶段的处理。

晶圆加工技术是指在晶圆上制造用于电气电子设备中的集成电路的过程。该技术是一个多步骤、反复处理的过程。在实施过程中多次重复运用掺杂、沉积、光刻等工艺,最终实现将高集成度的复杂电路“印制”在半导体基质上的目的。整个晶圆加工过程一般历时六至八周,需要在高度专业化的晶圆加工厂中进行。

晶圆加工过程与晶圆制造不同,晶圆加工领域的工厂各自遵循本公司特有的生产流程。同时,先进的加工技术逐年推陈出新,使得生产流程不断地发生着改变。但是多样化的制程工艺无外乎从属于以下四个范畴: 沉积、 清除、 成像、 电学性质改变。

沉积是指制程中涉及生长、涂覆或将其他材料转移至晶圆上的步骤。沉积技术包括物理气相沉积( PVD)、化学气相沉积( CVD)、电化学沉积( ECD)、分子束外延( MBE)、相对先进的原子层沉积( ALD)以及其他技术。

清除是指从晶圆上清除材料的技术。例如蚀刻工艺(湿蚀刻或干蚀刻)与化学机械研磨技术( CMP)。

成像塑造或改变沉积的材料,一般称为光刻技术。例如,常见的光刻工艺先将晶圆表面覆盖一层化学物质——光刻胶,之后光刻机聚焦、校准并移动印有电路图的光罩,将晶圆上的选中部分曝光于短波光线下。被曝光的区域此后被显影剂溶液洗去。在蚀刻或其他制程之后,剩余的光刻胶由等离子体灰化法清除。

电学性质改变指掺杂半导体,形成源极与漏极的步骤。该技术过去由扩散炉技术实现,现在多运用离子植入技术。掺杂过程之后晶圆接受炉内退火或更先进的快速热退火( RTA)处理。退火过程激活了植入的掺杂剂。电学性质改变目前也包括了通过紫外线制程降低 low-k 绝缘体材料介电常数的技术。

高端集成电路设计复杂,所需制程步骤繁多;多层金属连接层技术用以实现大量元件间的有效连接。当代芯片加工多经历 300 多道制程步骤;可包含 11 层的金属导线层。

“印刻”于晶圆上的半导体元件需以金属导体连接以实现特定的电路功能。以上各种技术工艺按制程的先后顺序,可划分为前段制程( FEOL)与后段制程( BEOL)。以集成于芯片上的元件的相互连接为分水岭: FEOL 指沉积金属导电层以前,于半导体基质上形成独立元件(如三极管、电容、电阻、独立的 CMOS)的前半段制程; BEOL 指金属层沉积后,创建金属导线,连接元件,并构成绝缘各导线的介电层的后半段制程。

左图体现晶圆加工前段制程与后段制程的具体内容;右图为晶圆上单个 CMOS 模块的纵切图,从下到上的三个部分符合芯片的三个制程: FEOL 前段制程、 BEOL 后段制程、 Packaging 封装制程。

集成电路封装是半导体设备制造过程中的最后一个环节。在该环节中,微小的半导体材料模块会被臵于一个保护壳内,以防止物理损坏或化学腐蚀。集成电路芯片将通过封装“外壳”与外部电路板相连。

封装过程后,通过封装测试的成品集成电路设备,将作为成品最终投入的下游设备的应用中去。

追随摩尔定律,芯片集成度日益提高,单体集成电路需要日益增多的引脚与外部设备连接,以实现更复杂的逻辑控制功能;同时,随着科技进步,各类电子设备向着小型化、智能化发展,电路系统的微缩要求集成电路芯片的体量不断减小。所以,保证性能的前提下,“多引脚、小体量”的芯片封装始终是集成电路封装技术的发展方向。随着封装技术的发展,集成电路封装模式不断推陈出新。目前,各种封装技术均用于不同的市场领域。这里,按照各种工艺出现的先后顺序介绍市场上主流的一些封装技术。

最早的集成电路封装于扁平的陶瓷管体内,由于其可靠性与较小的体量,在军事领域被应用多年。随后陶瓷管体的封装模式很快进步至塑料管体的 DIP(双列直插式封装)。

在 1980 年代, VLSI 规模集成电路的引脚数量超过了 DIP 封装的技术限制。 PGA(插针网格阵列)封装及 LCC(无引线芯片载体)封装投入生产,用以突破 DIP 封装的限制。

表面黏着式封装出现于 80 年代早期,并于 80 年代末期兴盛。用于小外形集成电路的鸥翼型封装与 J-引脚封装采用优化的引脚间距,使得运用该技术的封装比等效的 DIP封装占用面积少 30-50%,厚度薄 70%。

下阶段,封装技术迎来了巨大的技术创新——表面阵列封装。该技术在封装管体的表面铺设连接节点,因此得以提供比此前封装技术更多的外部连接(此前的封装方式只在管体周围引出接点)。其中 BGA(球栅阵列)封装成为广泛应用的封装技术之一。

BGA 封装技术在 1970 年代便已经存在。 1990 年代,该技术演进至 FCBGA( 倒装芯片球栅阵列)封装。 FCBGA 封装允许存在多于任何封装技术的针脚数量。在 FCBGA管壳内,晶片被正面朝下倒装并通过类似于印刷电路板的基体(不通过引线),与管体球栅建立连接。因此 FCBGA 可以允许成阵列的输入输出信号分散连接至整个晶片表面,而非限制于芯片四周。

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