集成电路技术——如何制造芯片（1）

1.概述

电子工业是现在高新技术的核心，它在人类的科技发展中发挥了巨大作用，电子工业已经成为成为当今世界发展最快的高新技术产业，在全世界各国国民经济中起着举足轻重的作用。当今的电子技术离不开集成电路，集成电路是电子工业的基石，集成电路是20世纪最伟大的发明之一。

集成电路是一种微型电子器件或部件。它是采用一定的工艺把一个电路中所需的元件及布线互连一起，并制作在一小块基片上，然后封装在一个管壳内，其中所有元件在结构上已组成一个整体。集成电路包括半导体集成电路和混合集成电路。

半导体集成电路是利用半导体技术将电路中的电阻、电容、电感、晶体管等元件及布线，在同一块半导体材料制造完成，形成一个完整的、有独立功能的电路系统。

混合集成电路是将多个不同的半导体集成电路和分立电子元件通过微细加工技术，将它们固化到同一个基板（陶瓷材料或半导体材料）上，用互连的方式将它们集成为一个完整的、有独立功能的电路系统。

本文主要介绍半导体集成电路相关知识和技术。

半导体集成电路分类

集成电路按照功能可以分为：数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。

数字集成电路是指只处理数字信号的一类电路，也称为逻辑电路。这类产品主要包括处微理器（MPU）、微控制器（MCU）、存储器（RAM、ROM）、接口电路等。数字集成电路通常是由基本的逻辑门电路单元构成。

**模拟集成电路是指完成对模拟信号进行放大、转换、调制、运算等功能的一类电路。**由于早期这类电路主要用于信号线性处理，所以又称为线性电路。模拟集成电路包括放大器、模拟乘法器、模拟开关和电源电路等。

混合信号集成电路是可以同时处理数字信号和模拟信号的电路。混合信号集成电路主要包括：A/D转换器（模数转换器）、D/A转换器（数模转换器）。

2.集成电路发展

为什么会发明集成电路？
它能给我们带来什么？
我们通过半导体集成电路的发展历史，来解开半导体集成电路这个发明创造背后的驱动力。

驱动力

1946年，ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer即电子数字积分计算机）在美国宣告诞生，ENIAC是继ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）之后的第二台电子计算机，美国国防部用它来计算弹道，ENIAC每秒钟可以运算5000次。ENIAC是一个庞然大物！ENIAC总长约30米，高约4米，厚约0.9米，占地约167平米、重达30吨！ENIAC内部电路使用了约18000只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，功率约150千瓦。

电子计算机提供了无所伦比的计算能力，但是这种计算机有几个突出问题：体积大、功耗大。如果能把计算机内部的电子元件和连线集成在一小块载体上，这就解决了体积和功耗问题！半导体集成电路诞生和发展的内在驱动力就在于此！

发展

1947年12月23日美国贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）和约翰·巴丁（John Bardeen）发明了点触式三极管，这是世界上第一只晶体三极管，它标志着电子技术从电子管时代进入晶体管时代迈出了第一步！
而在此之前计算机电路只能使用体积大、功耗大、结构不稳定的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，同时解决了体积大、功耗大、结构不稳定等问题。在晶体管发明后，1948年肖克利在贝尔实验室内部刊物发布了《半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论》，1950年11月肖克利发表《半导体中的电子和空穴》，奠定了PN结和面接型晶体管的基本理论。

1954年，德州仪器以25000美元从西部电子公司那里购买了生产电子晶体管的专利，并在同年研制出了第一个商用的硅晶体管905 型，德州仪器成为当时唯一一个批量生产硅管的公司。

1958年，德州仪器的基尔比突发奇想：很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。1958年9月12日，基尔比把这个想法变成了现实，研制出世界上第一块集成电路（这块电路实际上是仅包含12个元件的集成电路），并凭借这项发明，2000年基尔比获得了诺贝尔物理学奖。

1959年，当时在仙童公司工作的鲍勃·诺伊斯（后来仙童半导体公司，英特尔创始人），创造了掩膜版曝光刻蚀方法用来生产集成电路。

1964年，IBM公司成年仅四十岁的吉恩·阿姆达尔担任主设计师，历时四年研发的IBM360计算机问世，IBM360是用集成电路构建了世界上第一台集成电路的计算机，也称为第三代计算机。这个计算机有大、中、小共6个型号，涵盖了科学计算和事务处理两方面的应用，能够360度全方位使用，因此它起名为IBM360。这台计算机与之前的计算机相比最大的特征，就是从军用为主转向了民用为主，它代表着计算机从工商界到科学界的全方位应用。

1970年，Intel公司的科学家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004。Intel 4004片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，支持8位指令集及12位地址集。

1978年6月，Intel推出了8086微处理器，8086是x86架构微处理器的鼻祖，后续推出的各种微处理器均保持与之兼容。8086工作主频为4.77MHz，采用16位寄存器、16位数据总线。8086微处理器使用+5V电源，40条引脚双列直插式封装，有16根数据线和20根地址线，对内存空间实行分段管理，实现对1MB空间的寻址，采用并行流水线工作方式。8086是一款划时代的微处理器。

1993 年，Intel公司发布了Pentium系列微处理器80586，Pentium系列微处理器与以前的Intel公司处理器完全兼容。值得一提的是奔腾处理器中有两条数据流水线，可以同时执行两条指令，Intel公司把这种同时执行两条指令的能力称为超标量技术。第1代奔腾处理器主频有60MHz和66MHz。

2018年8月31日，华为在德国柏林IFA展会上发布麒麟980芯片。麒麟980芯片是华为海思推出的基于ARM的64位系统芯片，它是世界上第一枚采用台积电7nm工艺制造的商用手机SoC芯片组（4A76+4A55的八核心芯片），最高主频高达2.8GHz。麒麟980集成了八个CPU核心、十个GPU核心，并有双ISP、i8传感器处理器、安全引擎，还支持UFS 2.Hi-Fi音频、4K视频。

纵观半导体集成电路的发展可以总结出两个发展趋势：
1、体积越来越小。
2、功能越来越复杂。

3.集成电路材料

3.1半导体材料

半导体材料是制造半导体集成电路的主要材料，目前集成电路中采用的半导体材料有元素半导体和化合物半导体材料两类。元素半导体主要包括锗（Ge）和硅（Si）。化合物半导体材料包括碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）、铟镓砷（InGaAs）等。

3.2半导体材料特性

半导体集成电路主要是采用半导体材料制造，之所以可以采用半导体材料制造出极其复杂的半导体集成电路，是因为半导体有一系列特点：导电特性，掺杂特性，温度特性、光电特性、压力特性等。

导电特性

物质的导电能力的强弱用其导电率表示，导电率的倒数称为电阻率。根据电阻率的大小可以将自然界中的物质分为导体、半导体和绝缘体三类，其中半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，如下图所示：

掺杂特性

在半导体材料中加入微量的其他元素，称为掺进杂质（简称掺杂），可以在很大范围内改变半导体的导电能力。以半导体材料硅为例，在室温下纯硅的电阻率为230000Ω*cm，但是只要参入0.000001%（千万分之一）的磷元素，此时含有杂质的硅材料的导电能力将提高200000000%（20万倍）！由此可见掺杂元素的含量虽然极小，但是对半导体的导电能力起了决定性作用。

温度特性

半导体有一个重要特性，随温度的上升半导体中载流子浓度增加、电阻降低。利用半导体的这种效应可以制成半导体热敏电阻。随着半导体集成电路技术的不断发展，半导体集成式温度传感器越来越受到人们的关注。半导体集成式温度传感器有着更小的尺寸，容易进行系统集成等优势。这种集成温度传感器把包括温度感知器件、adc电路、和数字电路集成在一起，它们可以输出数字信号，能够方便的在微处理器中进行处理。半导体集成温度传感器主要采用bjt作为温度测量器件,下图是半导体温度传感器LM35的功能框图：

光电特性

半导体材料在受到光照后导电能力可以提高几百倍，利用半导体的这种效应可以制成半导体光电传感器：光电二极管（Photo-Diode）。光电二极管是由一个PN结组成的半导体器件，具有单向导电特性。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电传感器如下图：

压力特性

半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化使其电阻率发生变化，这种物理现象称为压阻效应。利用半导体的这种效应可以制成半导体压力传感器，这种压力传感器结构简单可靠，没有相对运动部件，传感器中的弹性元件和压力敏感元件合为一体，提高了传感器的性能。下图是半导体压力传感器LPS22HH的功能框图：

3.3本证半导体和杂质半导体

本征半导体

没有任何杂质和缺陷的纯净半导体材料称为本征半导体，这种半导体的导电特征取决于材料本身的固有特征。

杂质半导体

集成电路中使用的半导体材料并不是本证半导体，而是使用杂质半导体。在本证半导体中掺入一定量的其他元素，这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体，掺入的这些杂质称为杂质原子，掺入杂质原子的过程称为掺杂。在纯净的半导体材料中掺入杂质后，半导体的导电性将发生很大变化。

N型半导体

在半导体材料中掺入微量三价元素磷（P）、砷(Sb)、锑(As)等元素后,半导体材料中就会产生很多带负电的电子,使半导体中自由电子的浓度大大高于空穴浓度。这类杂质提供了带负电（Negative）的电子载流子，故称它们为N型杂质，这种半导体称为N型半导体。对于N型半导体材料而言，总的正电荷等于负电荷数目，材料整体为电中性。

P型半导体
在半导体材料中掺入微量三价元素硼（B）、铝（Ga）、铟（In）,使半导体中空穴的浓度大大高于自由电子浓度。这类杂质提供了带正电（Positive）的空穴载流子，故称它们为P型杂质，这种半导体称为P型半导体。对于P型半导体材料而言，总的正电荷等于负电荷数目，材料整体为电中性。