集成电路简介
11121708 张海蛟
一、集成电路简介
1、什么是集成电路
集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。

它在电路中用字母"IC"(也有用文字符号"N"等)表示。

图一给出了部分集成电路的成型图。

图1 各类型号的集成电路
2、集成电路的发展史
1952年5月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的设想。

1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路
1959年美国仙童/飞兆公司（Fairchilds）的R.Noicy 诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。

60年代TTL、ECL出现并得到广泛应用。

70年代MOS LSI得到大发展, 典型产品64K DRAM ，16位MPU
80年代VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段,典型产品4M DRAM
90年代ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品1G DRAM
3、集成电路的集成度
小规模集成电路（SSI）：10～100元件／片如各种逻辑门电路、集成触发器
中规模集成电路（MSI）：100～1000元件／片，如译码器、编码器、寄存器、计数器大规模集成电路（LSI）：1000 ～105元件／片，如中央处理器，存储器。

超大规模集成电路（VLSI）：105元件以上／片如CPU（Pentium)含有元件310万～330万个
特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)
巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
二、集成电路的工艺指标
1、集成度
以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。

随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体
积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性价比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC 技术进步的标志。

为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。

为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。

从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。

什么是SoC？
SoC的定义多种多样,由于其内涵丰富、应用范围广,很难给出准确定义。

一般说来, SoC 称为系统级芯片,也有称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。

同时它又是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/硬件划分,并完成设计的整个过程。

从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。

国内外学术界一般倾向将SoC 定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品
SoC定义的基本内容主要表现在两方面:其一是它的构成,其二是它形成过程。

系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。

2、特征尺寸
特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。

减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。

特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。

集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.15 μm 、0.13μm、90nm工艺，Intel 目前将大部分芯片生产制成转换到65nm 。

3、光刻技术
光刻技术是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。

随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。

光刻技术成为一种精密的微细加工技术。

常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺
在广义上，它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。

①光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。

②刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。

集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。

例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部。

半导体技术的飞速发展一直遵循着“摩尔定律”，即每隔约18—24个月，单个芯片上晶体管数目将增加一倍。

集成电路已经从60年代的每个芯片上仅几十个器件到现在的每个芯片可包含约上亿个器件。

Intel公司1993年推出的奔腾芯片共集成了310万个晶体管，2001年推出的奔腾4芯片则集成了5500万个晶体管，在2007年推出的芯片则集成10亿个以上
的晶体管半导体制造工艺一直以来每两至三年就跨上一个新的台阶。

随着20世纪80年代末纳米技术的兴起，它的发展大大拓宽和深化了人们对客观世界的认识，并带来新一轮的技术革命。

纳米电子学，纳米材料，纳米机械共同组成了纳米高技术群体，它的出现标志着高新技术进入一个崭新的发展阶段。

随着芯片集成度的提高,对光刻技术提出了越来越高的技术.在80年代,普遍认为光学光刻技术所能达到的极限分辨率为0.5μm,随着一些新技术的应用和发展,包括光源,成像透镜,光致抗蚀剂,分布扫描技术以及光刻分辨率增强技术的发展,使其光刻技术已推进到目前60nm,据说,Intel公司正在进行45nm技术的光刻.
大半个芯片上晶体管数目的增长是以光刻技术所能获得的特征线宽(CD)不断减少来实现的，因此，每一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要技术标志，半导体技术之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用，因为它直接决定单个期间的物理尺寸。

4、晶片直径
为了提高集成度，可适当增大芯片面积。

然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。

采用更大直径的晶片可解决这一问题。

晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。

5、封装
所谓封装就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，而且芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。

因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。

另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。

由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。

因此，封装对CPU以及其他芯片都有着重要的作用。