第1章　集成电路简介

1.1 概 述

1.1.1 从分立元件到集成电路

“集成电路”的英文名称为Integrated Circuits，简称IC。顾名思义，集成电路是集多个电路元件为一体，共同实现各种电气(电子)功能的组合电路。

稍为年长者，大都见过甚至亲手装过矿石收音机。为能收到电台的广播，要把分立的三极管、电阻、电容、二极管等插在印制电路板上，通过引线组成电路。

与此相对，现在最为普及的半导体集成电路是在一个硅单晶基片上做成多个具有三极管、电阻、电容等功能的元件，用铝布线、铜互联连接在一起，所起的作用可以与上述矿石收音机电路的作用完全相同，只是做成一体，又小又细，用肉眼看不到而已。

截至2018年，在工业生产的IC中，最小线宽已达7nm（最先进技术为3nm）。若以90nm技术为例，与矿石收音机时代相比，尺寸仅为原来的5万分之一，面积仅为30亿分之一，由此可以想象其集成度高到什么程度。

电路的高度集成，不仅极大地有利于电子设备的小型化，而且由于电路同时具备各种各样的功能，也有利于提高设备性能、降低功耗、增加可靠性。

我国是世界上最大的IC芯片市场，2017年进口IC芯片2600亿美元（3770亿块），年增14.6%（10.1%），占大陆进口总额的14.1%，平均进口单价为0.69美元（约4.35元人民币）。整体规模更是1600亿美元原油进口额的1.6倍以上。2017年，全球半导体总销售额4122亿美元，同比增长20.6%。其中IC芯片为3402亿美元，而中国进口了全球76%的芯片。

美国商务部2018年4月16日宣布，今后7年内，将禁止该国企业向中国电信设备制造商中兴通讯出售任何电子技术或通信元件。美国出口禁运触碰到了中国通信产业核心技术缺乏的痛点。如今，“禁令”已经解除，但它却成为一代人心中的痛。

1.1.2 由硅圆片到芯片再到封装

实际的硅IC，一般要在一块很薄的圆盘形单晶硅片上同时做出很多个，再划分成一个一个的IC芯片，最后要做成封装器件，如图所示。

由于IC芯片小、薄而且脆，布线又细又密，因而芯片若不封装，直接与印制电路板电气连接十分困难。而且直接拿芯片操作也易产生裂纹甚至断裂等缺陷，因此封装是必不可少的。

封装是把IC芯片安置在基板上，经引线、键合、封接，最后封装成一个整体。封装具有电气特性保持、物理保护、散热防潮、应力缓和、节距变换、通用化、规格化等功能，涉及薄厚膜、微细连接、多层基板、封接封装等几大类关键技术。

打开微机外壳，首先见到的可能就是这种被封装的IC，常称为“封装芯片”。封装有各种形式，一般都有多条“腿”(用于电气连接)，容易使人联想起蚰蜒，故常有此称呼。实际上，IC就隐藏在其中。

只要是电子产品，就离不开芯片。芯片通常分为两种：一种是功能芯片，比如我们常说的中央处理器（CPU），就是带有计算功能的芯片；另一种就是存储芯片，比如计算机里的闪存（Flash），是一种能储存信息的芯片。

这两种芯片，本质上都是载有集成电路的硅片。怎么理解呢？就是我们在一块硅圆片上，按照设计刻出一些凹槽，在凹槽里填充一些介质，从而使硅面上形成许多晶体管、电阻、电容和电感，在这块硅圆片上形成复杂的电路，再经划片、裂片得到一个一个的芯片，使每个芯片实现一些特定的功能。所以，我们才会看到芯片放大图上有那么多弯曲、平行的凸起和纹路。

听起来不难，做起来可不简单。芯片的诞生分三个步骤，分别是设计、制作和封装，难度依次减弱。现在全球芯片设计基本集中在美国，制作集中在中国台湾地区、韩国和日本。

现在看来，中国要真正做出自己的芯片，顶层设计（架构设计）和光刻技术是两大难题。

1.1.3 三极管的功能——可以比作通过水闸的水路

IC中，最重要且最普遍的元件可以说是三极管，由于它具有开关、振荡、变频、放大等功能，可以说是任何电子电路中绝对不可缺少的。

三极管的作用可以比作“通过设有水闸的水路”。如图1所示，水从水源（“源”）通过设有水闸（“栅”）的水路，水闸下方设一水泵，泵吸水加速排入排水沟（“漏”）。

即使水泵运转，只要水闸关闭，就不会有水通过。在这种状态下，慢慢提升水闸，开始有一段时间水仍然不能通过，但从闸板高于闸槽底的那一刻起，便有水开始通过，而后随着水闸提升，水流也逐渐增加。

在这种情况下，泵的吸力越强，水闸提得越高，水路的断面积越大，流过水路的水量就越多。

在实际的三极管中情况如何呢？下面以n沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS）为例加以说明（图2）。

nMOS的基本构成是，在p型硅半导体基体的表面附近，设有称作“源（电子的供给源）/漏（排出口）”的岛状n⁺型区，在两区间的基体表面上设有栅绝缘膜，并在此绝缘膜上设有栅电极。

在这种MOS三极管中，源电极和基板电极接地，那么在漏电极处在一定电压的状态下，随栅极电压升高，会出现什么情况呢？实际上，从某一电压（阈值电压：threshold voltage）开始，源区与漏区间的基体表面上会立即形成电子的沟道（channel），当然，电子便随之开始流动，此后，随栅电压升高，电流增加。这与前面水闸的原理十分类似。

上述三极管的基本特性称为“电流-电压特性”。另外，由于实际流过的是带有负电荷的电子，可以想象电流是从漏一侧通过沟道流向源一侧。

1.1.4 n沟道MOS（nMOS）三极管的工作原理

下面对npn型三极管的结构和工作原理加以说明。如图(a)所示，典型的npn型三极管的结构是非常简单的。栅极在与纸面垂直的方向也具有与横向长度不相上下的尺寸（即栅极具有与纸面垂直的细长形状）。如图所示，在npn型三极管中，n型源和n型漏是在p型晶圆的表层做出的。

栅绝缘膜在栅极与晶圆之间起绝缘作用，它通常采用由晶圆表面氧化生成的硅氧化膜（SiO₂）或其中添加氮的氧氮化膜（SiON）。现在，作为下一代栅绝缘膜，正在开发的有氮化硅膜（Si₃N₄）及由金属氧化物构成的膜层等。

栅极用材料，目前普遍采用掺杂电活性杂质的多晶硅（以前经历过采用Al的铝栅时代）。现在，正在开发作为下一代材料的金属与硅的合金（硅化物）栅极。从以上所述便可知晓，由栅电极（金属或多晶硅）、栅氧化膜（oxide）、晶圆（半导体）构成的三极管被称为MOS的理由。

图(b)表示npn型三极管截止时的状态（pn结部位的耗尽层省略）。在此需要注意的是，即使进入截止状态，三极管内也并非处于等电位，因为漏极处于外加电压状态。但是，由于pn结上反向电压的作用，p型晶圆部分-漏（n型）间几乎没有电流流过。另外，源（n型）-p型晶圆部分间由于不存在电位差，当然不会有电流流过。因此，在截止状态，源（n型）-漏（n型）间不会有电流流过。

图（c）表示npn型三极管导通时的状态。工作时栅极处于外加正电压状态，p型晶圆中的空穴受此正电压的“场效应”排斥作用而远离，而电子受到吸引作用而集聚于栅绝缘膜的正下方。这样，源-漏间被电子所充满，它们受源-漏间电场的作用便会沿箭头所指方向移动，即在与箭头所指相反方向产生电流。

此时，称源-漏间栅绝缘膜正下方的部分为沟道，如图（c）所示。一般来说，沟道长度小于栅长。而在非常微细的三极管中，沟道长度仅为栅长的大约1/2。

1.1.5 截止状态下MOS器件中的泄漏电流

1.1.4节图中所示的npn型三极管，在导通时流经沟道的电流是靠电子的移动引起的，因此它也被称为nMOS，而且这时的沟道称为n沟道。对此，沟道中开始有电流流动时所对应的栅电压称为阈值电压，一般用符号V_th表示。容易理解，三极管可以作为开关元件而使用。

图1（a）表示pnp型三极管的断面结构。这种情况首先是由杂质的离子注入做出称为n阱的区域，在此n阱内，再形成p型源和p型漏。图（b）表示pnp型三极管导通时的状态。导通时由于栅电极处于负电位，n型晶圆中的电子受此负电压“场效应”排斥作用而远离，而空穴受到吸引作用而集聚于栅绝缘膜的正下方。此空穴在栅绝缘膜下方集聚形成沟道，由于源-沟道-漏间空穴的移动而形成电流。因此pnp型三极管称为pMOS，对应的沟道称为p沟道。

图2表示nMOS三极管截止时的泄漏电流（I_off），一般情况下I_off由三部分组成：

I_off=I_GD +I_SD+I_BD　　（1-1）

式中：I_GD是栅-漏之间的泄漏电流；I_SD是源-漏之间的泄漏电流； I_BD是晶圆（硅衬底）-漏之间的泄漏电流。

I_GD是与栅绝缘膜的厚度相关的隧道（tunnel）电流，而I_SD是源-漏间的能带弯曲所决定的泄漏电流（sub-threshold leakage current），它们受晶圆晶体缺陷的影响可以忽略。与之相对，I_BD是结泄漏电流（junction leakage current），它受到晶圆品质的直接影响，特别是对于栅长越来越短的情况。