集成电路简要入门 - 上海电子元件展

2023上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将行于8月29日至8月31日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

什么是集成电路？

半导体的范畴最为广泛，包含微电子，而微电子又包含集成电路，三者为范畴嵌套的关系。集成电路的范畴最小。

微电子，即“微米级的电子学”，而今天的集成电路均为纳米级，但“微电子”名词并未改动，或合称“微纳电子”，但含义不变。

集成电路（Integrated Circuit，IC）也称芯片（chip）。集成电路是指把具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件，以及它们之间的连接导线，全部集成在一小块衬底上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。

例如MOS管构成的数字电路，三极管、电容电感构成的模拟电路，扁平封装到芯片中，即为集成电路。

集成电路由德州仪器公司杰克·基尔比（Jack Kilby）和仙童半导体公司罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）分别于1958年和1959年独自发明。

集成电路的生产流程

单晶硅片制造：负责以沙子为原料制造单晶硅。这个步骤技术含量不高，一般只作为前置部分，不包含在集成电路生产流程中。

集成电路设计（IC设计）：包括电路设计、EDA和工艺设计。三个步骤进行完毕后，会进行光罩制造，并等待光刻的进行。

集成电路制造（IC制造）：对单晶硅进行打标之后，进入一个循环的步骤。先进行清洗，然后进行氧化/外延、掺杂、溅射或介质层处理，然后进行光刻、刻蚀和去胶。上述流程进行若干循环后，进行WAT测试，即可进入下一阶段。

集成电路封测（IC封测）：对上一步骤的产品进行晶圆点测、切割、打线、封装、IC测试以及老化试验，最终成品将销售给客户。

除此之外，还有材料、装备与其他等若干配套行业，也是必需的。一般认为集成电路的产业主要包含设计、制造、封测，这三部分。

IC设计具有知识产权，且迭代周期较短，仅需3至6个月即可完成一次技术迭代。中国大陆地区在IC设计方面较为领先。代表企业有（按拼音排序）：国网智芯、华大半导体、华为海思、兆易创新、中兴微电子、紫光展讯等。

IC制造为重资产行业，至少百亿美元起，需要强大的基础工业支撑。IC制造的产品制造周期较长，约为2至3个月，从而研发迭代周期非常长。IC制造的能力在一定程度上反映了当代国家的国力水平与先进科技水平。代表企业有台积电（中国台湾）、格芯（美国）、联电（中国台湾）、中芯国际（中国大陆）。

IC封测领域相对前两领域而言较小，但随着电子产业的升级，技术难度也越来越大。中国大陆地区的代表企业有（按拼音排序）：江苏长电、天水华天、通富微电等。

2021年世界前10的半导体企业：

第一名：三星（Samsung，韩国）。

第二名：英特尔（Intel，美国）。

第三名：台积电（TSMC，中国台湾）。

第四名：海力士（SK Hynix，韩国）。

第五名：美光科技（Micron，美国）。

第六名：高通（Qualcomm，美国）。

第七名：英伟达（Nvidia，美国）。

第八名：博通（Broadcom Inc.，美国）。

第九名：联发科（MediaTek，中国台湾）。

第十名：德州仪器（TI，美国）。

数据来源：Company reports, IC Insights’ Strategic Reviews database

什么是集成电路工艺？

集成电路工艺（Fabrication Process），简称工艺（Process），也称制造/制备/制程工艺，属于IC制造。

集成电路工艺是在给定的硅片上，按照设计好的IC来加工成产品的过程。集成电路工艺的重点是在微/纳米尺寸加工，最终结果为集成百亿级晶体管。

摩尔定律

摩尔定律，用于描述集成电路工艺的发展趋势。

摩尔定律有三个目的：降低芯片成本、提高芯片性能、提高芯片可靠性。

摩尔定律的本质是单位晶体管的制造成本不断降低，经由晶体管的通孔、线宽和间隙等特征的尺寸缩小，从而降低成本。

摩尔定律分为晶体管的特征尺寸缩小（Scaling down）和晶圆的大小增加两部分。

晶体管的尺寸缩小，可以使相同面积上，晶体管数量做得更多。

晶体管的尺寸缩小，可以在使用相同的工艺时，晶体管的数量增多。

特征尺寸缩小

制程是描述晶体管尺寸的参数。摩尔定律的升级就是制程的升级。

早期制程以微米为单位，例如.5工艺、.18工艺和.13工艺。

上世纪70年代，Intel 4004的制程为10微米，Intel 8088的制程为3微米。

上世纪80年代，Intel 80386制程为1微米，Intel Power PC601的制程为0.6微米。

上世纪90年代，AMD K5的制程为0.35微米，AMD K6-2的制程为0.25微米，AMD Athlon XP的制程为0.13微米，即130纳米。

本世纪初为一个转折点。在130nm制程之后，由于量子效应的影响，已经无法仅通过几何尺寸缩小获得性能提升。此时制程升级不再仅仅是尺寸的做小，每个工艺节点都需要引入新的工艺技术。

此时的摩尔定律并未失效，只是制程升级确实放缓。在130nm制程之后的时代称为“后摩尔时代”（Beyond Moore），使用后摩尔工艺，以纳米为单位，例如16nm工艺等。

在本世纪前10年，Intel Pentium 4的制程为90纳米，Intel XEON 5400的制程为45纳米，Intel Core i7的制程为32纳米。从130纳米到90纳米和65纳米增加了Hi-k-MG工艺，从65纳米到45纳米和32纳米增加了Strain工艺，并且每微米的驱动电流（Drive Current）从不到0.5毫安提升到1毫安以上。

单个原子的直径是0.1纳米，为摩尔定律的一个理论上限。

晶圆尺寸增大

降低成本是驱使半导体业转向使用更大直径硅片的主要原因。

晶圆尺寸以毫米为单位。1975年使用100毫米晶圆，80年代使用150毫米晶圆，90年代使用200毫米晶圆，本世纪初使用300毫米晶圆。

200毫米晶圆可以分割成88块芯片，300毫米晶圆可以分割成232块芯片。300毫米晶圆比200毫米晶圆大2.25倍，可以把每块晶片（Die）的成本减少30%。

今天使用450毫米晶圆，约合18英寸。

晶体管工艺的关键步骤

集成电路工艺的具体步骤是模块化的，大致分为3个步骤：

前道工艺（Front end of line，FEOL）：在硅衬底上形成晶体管栅、源、漏的工艺。

后道工艺（Back end of line，BEOL）：金属导线及通孔工艺。

封装工艺（Package）：安放、固定、密封、保护芯片的工艺。

一旦芯片进入后道和封装工艺阶段，开始通孔和穿金属导线，则不能返回前道工艺。在前道工艺内部出现错误，均有补救措施。

集成电路制造就是按照目标器件和电路设计结构，循环往复运用上述工艺实现目的的过程。

后道工艺主要包含金属互连工艺。前道工艺包含薄膜、光刻和刻蚀工艺。只要在封装的完成之前，均需要维持环境的绝对洁净，因此均需要清洗工艺。

一个FAB厂的人员构造

半导体制造厂，英文称fabrication，为“制造”一词，简称FAB厂。

在FAB厂中主要分为两部分：研发和制造。一般设置专门的制造部（MFG），用于管理制造部工程师（MA）。制造部工程师包括设备工程师（EE）、量测部门（MMT）、产品工程师（PDE）和客户工程师（CE）。

研发工程师（TE）是一类工程师，包含工艺整合工程师（PIE）、模块工艺工程师（PE）、良率/缺陷分析工程师（YE）、质量/品质工程师（QE）。

工艺整合工程师（PIE）是一个FAB厂的核心成员，负责所有工艺的整合，一般需要带特定的产品从开始到结束，需要保证产品的WAT稳定。

    文章来源：知乎

2023上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2023年8月29日至8月31日在在上海新国际博览中心举行；上海电子展更多资讯，详情请登陆官网 https://pcim.gymf.com.cn