第1章　集成電路簡介

1.1 概 述

1.1.1 從分立元件到集成電路

“集成電路”的英文名稱為Integrated Circuits，簡稱IC。顧名思義，集成電路是集多個電路元件為一體，共同實現各種電氣(電子)功能的組合電路。

稍為年長者，大都見過甚至親手裝過礦石收音機。為能收到電臺的廣播，要把分立的三極管、電阻、電容、二極管等插在印制電路板上，通過引線組成電路。

與此相對，現在最為普及的半導體集成電路是在一個硅單晶基片上做成多個具有三極管、電阻、電容等功能的元件，用鋁布線、銅互聯連接在一起，所起的作用可以與上述礦石收音機電路的作用完全相同，只是做成一體，又小又細，用肉眼看不到而已。

截至2018年，在工業生產的IC中，最小線寬已達7nm（最先進技術為3nm）。若以90nm技術為例，與礦石收音機時代相比，尺寸僅為原來的5萬分之一，面積僅為30億分之一，由此可以想象其集成度高到什么程度。

電路的高度集成，不僅極大地有利于電子設備的小型化，而且由于電路同時具備各種各樣的功能，也有利于提高設備性能、降低功耗、增加可靠性。

我國是世界上最大的IC芯片市場，2017年進口IC芯片2600億美元（3770億塊），年增14.6%（10.1%），占大陸進口總額的14.1%，平均進口單價為0.69美元（約4.35元人民幣）。整體規模更是1600億美元原油進口額的1.6倍以上。2017年，全球半導體總銷售額4122億美元，同比增長20.6%。其中IC芯片為3402億美元，而中國進口了全球76%的芯片。

美國商務部2018年4月16日宣布，今后7年內，將禁止該國企業向中國電信設備制造商中興通訊出售任何電子技術或通信元件。美國出口禁運觸碰到了中國通信產業核心技術缺乏的痛點。如今，“禁令”已經解除，但它卻成為一代人心中的痛。

1.1.2 由硅圓片到芯片再到封裝

實際的硅IC，一般要在一塊很薄的圓盤形單晶硅片上同時做出很多個，再劃分成一個一個的IC芯片，最后要做成封裝器件，如圖所示。

由于IC芯片小、薄而且脆，布線又細又密，因而芯片若不封裝，直接與印制電路板電氣連接十分困難。而且直接拿芯片操作也易產生裂紋甚至斷裂等缺陷，因此封裝是必不可少的。

封裝是把IC芯片安置在基板上，經引線、鍵合、封接，最后封裝成一個整體。封裝具有電氣特性保持、物理保護、散熱防潮、應力緩和、節距變換、通用化、規格化等功能，涉及薄厚膜、微細連接、多層基板、封接封裝等幾大類關鍵技術。

打開微機外殼，首先見到的可能就是這種被封裝的IC，常稱為“封裝芯片”。封裝有各種形式，一般都有多條“腿”(用于電氣連接)，容易使人聯想起蚰蜒，故常有此稱呼。實際上，IC就隱藏在其中。

只要是電子產品，就離不開芯片。芯片通常分為兩種：一種是功能芯片，比如我們常說的中央處理器（CPU），就是帶有計算功能的芯片；另一種就是存儲芯片，比如計算機里的閃存（Flash），是一種能儲存信息的芯片。

這兩種芯片，本質上都是載有集成電路的硅片。怎么理解呢？就是我們在一塊硅圓片上，按照設計刻出一些凹槽，在凹槽里填充一些介質，從而使硅面上形成許多晶體管、電阻、電容和電感，在這塊硅圓片上形成復雜的電路，再經劃片、裂片得到一個一個的芯片，使每個芯片實現一些特定的功能。所以，我們才會看到芯片放大圖上有那么多彎曲、平行的凸起和紋路。

聽起來不難，做起來可不簡單。芯片的誕生分三個步驟，分別是設計、制作和封裝，難度依次減弱。現在全球芯片設計基本集中在美國，制作集中在中國臺灣地區、韓國和日本。

現在看來，中國要真正做出自己的芯片，頂層設計（架構設計）和光刻技術是兩大難題。

1.1.3 三極管的功能——可以比作通過水閘的水路

IC中，最重要且最普遍的元件可以說是三極管，由于它具有開關、振蕩、變頻、放大等功能，可以說是任何電子電路中絕對不可缺少的。

三極管的作用可以比作“通過設有水閘的水路”。如圖1所示，水從水源（“源”）通過設有水閘（“柵”）的水路，水閘下方設一水泵，泵吸水加速排入排水溝（“漏”）。

即使水泵運轉，只要水閘關閉，就不會有水通過。在這種狀態下，慢慢提升水閘，開始有一段時間水仍然不能通過，但從閘板高于閘槽底的那一刻起，便有水開始通過，而后隨著水閘提升，水流也逐漸增加。

在這種情況下，泵的吸力越強，水閘提得越高，水路的斷面積越大，流過水路的水量就越多。

在實際的三極管中情況如何呢？下面以n溝道金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOS）為例加以說明（圖2）。

nMOS的基本構成是，在p型硅半導體基體的表面附近，設有稱作“源（電子的供給源）/漏（排出口）”的島狀n⁺型區，在兩區間的基體表面上設有柵絕緣膜，并在此絕緣膜上設有柵電極。

在這種MOS三極管中，源電極和基板電極接地，那么在漏電極處在一定電壓的狀態下，隨柵極電壓升高，會出現什么情況呢？實際上，從某一電壓（閾值電壓：threshold voltage）開始，源區與漏區間的基體表面上會立即形成電子的溝道（channel），當然，電子便隨之開始流動，此后，隨柵電壓升高，電流增加。這與前面水閘的原理十分類似。

上述三極管的基本特性稱為“電流-電壓特性”。另外，由于實際流過的是帶有負電荷的電子，可以想象電流是從漏一側通過溝道流向源一側。

1.1.4 n溝道MOS（nMOS）三極管的工作原理

下面對npn型三極管的結構和工作原理加以說明。如圖(a)所示，典型的npn型三極管的結構是非常簡單的。柵極在與紙面垂直的方向也具有與橫向長度不相上下的尺寸（即柵極具有與紙面垂直的細長形狀）。如圖所示，在npn型三極管中，n型源和n型漏是在p型晶圓的表層做出的。

柵絕緣膜在柵極與晶圓之間起絕緣作用，它通常采用由晶圓表面氧化生成的硅氧化膜（SiO₂）或其中添加氮的氧氮化膜（SiON）。現在，作為下一代柵絕緣膜，正在開發的有氮化硅膜（Si₃N₄）及由金屬氧化物構成的膜層等。

柵極用材料，目前普遍采用摻雜電活性雜質的多晶硅（以前經歷過采用Al的鋁柵時代）。現在，正在開發作為下一代材料的金屬與硅的合金（硅化物）柵極。從以上所述便可知曉，由柵電極（金屬或多晶硅）、柵氧化膜（oxide）、晶圓（半導體）構成的三極管被稱為MOS的理由。

圖(b)表示npn型三極管截止時的狀態（pn結部位的耗盡層省略）。在此需要注意的是，即使進入截止狀態，三極管內也并非處于等電位，因為漏極處于外加電壓狀態。但是，由于pn結上反向電壓的作用，p型晶圓部分-漏（n型）間幾乎沒有電流流過。另外，源（n型）-p型晶圓部分間由于不存在電位差，當然不會有電流流過。因此，在截止狀態，源（n型）-漏（n型）間不會有電流流過。

圖（c）表示npn型三極管導通時的狀態。工作時柵極處于外加正電壓狀態，p型晶圓中的空穴受此正電壓的“場效應”排斥作用而遠離，而電子受到吸引作用而集聚于柵絕緣膜的正下方。這樣，源-漏間被電子所充滿，它們受源-漏間電場的作用便會沿箭頭所指方向移動，即在與箭頭所指相反方向產生電流。

此時，稱源-漏間柵絕緣膜正下方的部分為溝道，如圖（c）所示。一般來說，溝道長度小于柵長。而在非常微細的三極管中，溝道長度僅為柵長的大約1/2。

1.1.5 截止狀態下MOS器件中的泄漏電流

1.1.4節圖中所示的npn型三極管，在導通時流經溝道的電流是靠電子的移動引起的，因此它也被稱為nMOS，而且這時的溝道稱為n溝道。對此，溝道中開始有電流流動時所對應的柵電壓稱為閾值電壓，一般用符號V_th表示。容易理解，三極管可以作為開關元件而使用。

圖1（a）表示pnp型三極管的斷面結構。這種情況首先是由雜質的離子注入做出稱為n阱的區域，在此n阱內，再形成p型源和p型漏。圖（b）表示pnp型三極管導通時的狀態。導通時由于柵電極處于負電位，n型晶圓中的電子受此負電壓“場效應”排斥作用而遠離，而空穴受到吸引作用而集聚于柵絕緣膜的正下方。此空穴在柵絕緣膜下方集聚形成溝道，由于源-溝道-漏間空穴的移動而形成電流。因此pnp型三極管稱為pMOS，對應的溝道稱為p溝道。

圖2表示nMOS三極管截止時的泄漏電流（I_off），一般情況下I_off由三部分組成：

I_off=I_GD +I_SD+I_BD　　（1-1）

式中：I_GD是柵-漏之間的泄漏電流；I_SD是源-漏之間的泄漏電流； I_BD是晶圓（硅襯底）-漏之間的泄漏電流。

I_GD是與柵絕緣膜的厚度相關的隧道（tunnel）電流，而I_SD是源-漏間的能帶彎曲所決定的泄漏電流（sub-threshold leakage current），它們受晶圓晶體缺陷的影響可以忽略。與之相對，I_BD是結泄漏電流（junction leakage current），它受到晶圓品質的直接影響，特別是對于柵長越來越短的情況。