集成电路技术概况 - 半导体集成电路技术是现代

集成电路技术概况

陈岚

摘要本文介绍了集成电路技术的分工，指出在集成电路技术的各部分中集成电路设计技术对集成电路产品的性能、可靠性、成品率及成本等起着举足轻重的作用，并最终决定一个产品的竞争力，分析了集成电路设计技术与系统设计的关系。

关键词 集成电路设计技术，系统设计，半导体技术

前言

半导体集成电路技术是现代信息技术的核心。近几十年集成电路技术的快速发展带动了整个信息技术行业的飞速发展，使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, 同时也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。可以说半导体技术的发展造就了今天信息化、网络化的数字时代。美国耶鲁大学著名半导体专家马佐平教授提出从集成电路技术规模化生产能力形成的20世纪70年代开始，人类社会进入了“硅器时代”。这形象说明了集成电路技术对现代社会的巨大推动作用。据资料统计，1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,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%。每l~2美元的集成电路产值将带动10美元左右电子工业产值的形成, 进而带动了100美元GDP的增长[5]。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6000~8000亿美元。我国集成电路市场的产量和销售在最近几年更是以30%的速度增长。产业规模从2000年到2004年的四年中扩大了3倍，在全球集成电路产业中所占份额由2000年的1.2%提高到3.7%，成为全球集成电路产业发展最快的地区。

集成电路技术涉及半导体器件物理、微电子学、电子学、无线电、光学以及信息学等学科领域的知识。从产业分工角度可以分为集成电路加工、集成电路设计以及集成电路测试封装等几方面。

集成电路加工技术

集成电路加工主要是通过物理或化学手段在硅材料上生成半导体器件（比如场效应管）以及器件之间的物理互连。这些器件以及器件之间的互连构成的电路功能要符合系统设计要求。集成电路加工技术涉及的知识包括半导体器件物理、精密仪器、光学等领域，具体应用在工艺流程中，包括注入、掺杂、器件模型、工艺偏差模型、成品率分析以及工艺过程设计等。按照使用的加工材料可以分为CMOS1工艺、SiGe2工艺、AsGa3工艺以及双极工艺等。由于可规模化生产技术的水平和价格等多方面因素，目前最常用的是CMOS工艺以及双极型工艺。衡量CMOS加工技术的主要技术指标是硅基上MOS器件的沟道长或者是1/2 metal pitch（metal pitch = 一条金属连线允许的最小宽+金属连线之间允许的最小间距）或者1/2poly pitch（poly pitch = 一条多晶允许的最小宽+多晶体之间允许的最小间距）[1]。

在近十几年的时间里，集成电路加工工艺水平一直按照摩尔（Moore）定律在快速发展。目前国际上主要的集成电路代工厂可规模化生产的加工水平已经到0.13µm，像Intel、TI以及IBM等IDM4公司的加工工艺水平已经达到90nm。按照ITRS[3]的预计到今年，80nm（1/2 pitch）的逻辑工艺可以达到规模化加工水平，到2008年逻辑工艺水平可以达到57nm 1/2 pitch[1]。

集成电路测试、封装技术

集成电路测试包括完成在硅基上产生符合功能要求的电路后对裸片硅的功能和性能的测试（中测）以及封装后的测试（成品测试）。集成电路封装是指为了防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀造成电气性能下降，为保证集成电路产品长期有效工作，为便于保存、运输以及在PCB上安装而在裸片外部加上的与自然环境隔离的保护措施。在行业中通常把测试和封装统称为集成电路后道工

1 Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体

2 Silicon Germanium 硅锗

3 Gallium Arsenide 砷化镓

4 Integrated Device Manufacturers集成器件制造商

序。

随着芯片加工工艺的进步，单芯片集成度的大幅度提高，对测试技术提出了越来越高的要求。除了机台上测试技术的研究，目前在测试技术方面针对集成电路可测性和易测性的设计技术（DFT5），从验证平台到测试平台的测试矢量转换等成为集成电路测试技术研究的热点和方向。

在集成电路封装方面，按照封装使用的管壳材料可以分为塑料封装和陶瓷封装；按照管壳形状以及管脚分布和特征又可以分为DIP、PQFP、TSOP、TSSOP、 PGA、BGA、QFP、TQFP等封装形式。由于集成电路芯片的工作频率越来越高，功耗越来越大，对封装技术，比如管壳的散热、寄生参数、电磁兼容等特性提出了更高要求。

集成电路设计技术

集成电路设计技术是集成电路技术中的软性技术，同时也是附加值最高的技术。经过集成电路设计，一片实现了特定功能的圆片（wafer）价格依据其实现的产品功能将比裸圆片的价格上升几十倍甚至上百倍。然而在集成电路产品的总成本中集成电路设计部分的成本却不是最大的开销。图1是集成电路产品从系统定义经过集成电路设计到芯片加工、封测再到产品的一个流程。

集成电路设计的任务是把系统应用定义的抽象描述转换成符合硅器件工作原理的电路结构实现(circuitry )并生成用于集成电路加工的数据（layout data）。集成电路设计技术实现的是一个核心的转换：把通讯、计算机等学科领域知识通过微电子技术转换成提高人类现实生活质量的电子类产品。如果说集成电路技术推动了整个信息技术领域的快速发展和繁荣。那么作为核心的集成电路设计技术是把现代信息技术与微电子技术结合起来的桥梁和关键。

集成电路设计技术面临两个方面的挑战，一方面集成电路加工技术按照摩尔定律6发展，但加工技术进步所提供的电路性能、单芯片集成度以及生产线产能的提高远远没有被发挥出来。目前集成电路设计能力只利用了集成电路加工工艺所创造的技术潜力的1/3左右。随着集成电路工艺水平的进步，这个差距还有加大的趋势，见图2。

5 Design For Test

6英特尔公司创始人之一戈登.摩尔1965年预言，集成电路上的原件属会不断增加，而成本却会持续降低。后来有人更进一步预言集成电路的心能价格比每18个月会翻一番，当然还有许多其它版本。