[拼音]：jicheng dianlu

[外文]：integrated circuit

以半导体晶体材料，经平面工艺加工制造，将电路的元件、器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。微小型化电路简称微电路，是一种结构上比最紧凑的分立元件电路的体积小几个数量级、重量轻几个数量级的微结构电路。微电路最早应用在空间和军事上。载人的长期空间飞行体所需要的高可靠性，只有凭借先进的微电路才能获得。微电路与先前用手工或机械方法制造的电路相比，其可靠性高得很多，成本也低得多。随着集成电路和微电子技术的发展，出现完整的大规模集成分系统，能实现多种功能，微电路的优势更为显著。

集成电路（指单片集成电路）、薄膜电路、厚膜电路和混合微型电路是微电路的几种基本形式。

单片集成电路早期称为单块电路。实际上，单片集成电路是用一块半导体单晶片制成的微型化电路。现代集成电路所用半导体材料通常是硅(Si)或化合物半导体如砷化镓(GaAs)。

简史

1958年，美国开始研制微型组件。这是将二极管、晶体管做成微型芝麻管和微型电阻、电容装配到一片片陶瓷基片上，然后再叠成立体结构，构成能完成某种功能的电路组件。J.基尔比尝试用半导体材料来制作包括晶体管、电阻、电容在内的并互连成一个完整的电路，于是用硅材料试制了一个分立元件电路。其中，电阻是用切成条状的硅制成的，电容器是取自扩散硅功率晶体管芯片两边再金属化而获得的。同年，基尔比和他的同事制作的集成相移振荡器电路成为世界上第一批集成电路。接着，他们又制成数字集成触发器。当时人们把基尔比等制作的电路称为固体电路。

1959年，美国仙童公司R.N.诺伊斯等申请用平面工艺制作硅集成电路的专利，利用PN结隔离技术，在氧化膜上制作互连线。他们研制的平面工艺最终完成了集成电路的全部工艺，奠定了半导体集成电路发展的基础。有了硅平面工艺技术，单片集成电路才真正实现。

虽然1959年利用表面场效应原理的 MOS场效应晶体管已经研制出来，但当时能够实际应用的还是双极型集成电路。

1968年，集成电路进入大规模阶段，因 MOS型集成电路比双极型集成电路更适合于大规模和超大规模集成。从这时起，MOS型集成电路便突出出来而且发展速度极快，MOS 电路在大规模集成电路中占居了重要地位。半导体MOS存储器从1千位扩大到4、16、64、256千位，并都已见商品，1兆位也已有样品。70年代末，美国英特尔公司首先提出随机逻辑大规模集成电路，从而发明计算机中央处理单元，即控制单元和运算单元集成电路，为计算机微型化创造了条件。从此，集成电路进入电子系统集成阶段。

半导体集成存储器作为电路发展中的新产品，一直被看作集成度增长的代表性产品而受到重视。以 MOS存储器为例，从1960～1975年，集成电路的集成度提高了64000倍，其中芯片尺寸扩大约20倍，引入微细加工，提高加工精度，增加集成密度约32倍。

在这期间，除数字集成电路在数字逻辑信息领域里被广泛应用外，线性集成电路在模拟信息方面，如视听、广播电视领域里也被广泛应用。线性集成电路对电阻、电容等元件要求高，依赖性大，所以在模拟信号处理的应用要比在数字逻辑信号处理上应用来得晚，如用于模拟计算机和仪表上的第一批优质运算放大器是1966年才出现的。

集成电路发展的特点是：

（1）技术发展快，单块集成度在1960～1978年每年翻一番。

（2）采用了微米、亚微米量级微细加工技术。如 16千位动态随机存储器在5.2毫米×3.4毫米面积上集成3.5万多元件，采用线条宽为5微米的工艺;64千位动态随机存储器采用3微米的工艺。采用电子束、离子束、分子束工艺和干法工艺等高级加工技术，线条宽度已缩小到0.5～0.1微米。大规模和超大规模集成电路技术和功能日益密集化。集成电路速度已达到皮秒级。集成电路片微功耗化，有利于节能和降低功耗密度。集成电路结构微小型化，为微电子学、微电子技术的发展开辟了道路。

（3）高集成度和高集成密度。单片集成度已达到能集成60万个以上元件数，集成密度达每平方毫米7千到电子1万个元件。

类别

集成电路依所用晶体管结构、电路和工艺之不同，可分为双极型集成电路和金属-氧化物-半导体结构两大类。前者的主要器件是双极型晶体管（如NPN晶体管）；后者的主要器件是MOS场效应晶体管。集成电路按其处理信息的功能不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路（也称线性集成电路）。

集成电路由于电路复杂程度不同，可根据集成规模分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。对于数字集成电路来说，习惯上认为小规模集成电路是集成度小于10个门电路或集成元件数少于 100个元件的集成电路；中规模集成电路是集成度在10～100个门电路之间，或集成元件数在100～1000个元件之间的集成电路；大规模集成电路是集成度在100个门电路以上或集成元件数在 1000个元件以上的集成电路。大规模集成电路是在一般中、小规模集成电路的基础上发展起来的，中、小规模集成电路一般是以简单的门电路或单级放大器为集成对象的，而大规模集成电路则以功能部件、整机、子系统为集成对象。从分立元件发展到集成电路是半导体电子技术发展的一次飞跃；从一般中、小规模集成电路发展到大规模集成电路是又一次飞跃，并且还在向超大规模集成电路发展。

超大规模集成电路一般指集成度达 1万个门电路或集成元件数在10万个元件以上的大规模集成电路。超大规模的范围至今尚无公认的标准。

模拟集成电路的大、中、小规模的集成度所包含元件个数要比相应的数字集成电路的元件个数为少。

集成电路根据集成方法之不同，可分为单片集成电路和混合集成电路两种。所谓混合集成电路是指单片集成电路和分立元件、器件的混合，采用薄膜技术混合的称作薄膜混合集成电路；采用厚膜技术混合的称作厚膜混合集成电路。由于用薄膜电路技术制作的薄膜晶体管和二极管尚未达到实用水平，薄膜集成电路和厚膜集成电路尚未实现，实际应用的只有集成电路和混合集成电路两种。

混合集成电路可以将单片集成电路再一次微小型化，有时也把混合微技术称作二次集成技术。

与其他学科的关系

集成电路技术是在固体物理学基础上发展起来的。它与其他学科和传统工业有密切的关系。

与固态电子器件的关系

集成电路的产生与晶体管和硅平面工艺的发明是分不开的。集成电路起源于半导体物理学和固态电子器件的研究。集成电路的发展，如高速电路、低功耗电路、高可靠、高集成度和高集成密度等电路方面的研究与半导体物理、固态电子器件的研究有着不可分的密切关系。

与材料科学和晶体生长技术的关系

固态器件和集成电路的发明、发展与材料科学、晶体生长技术有渊源关系。40年代，晶体管现象的发现是由于当时锗、硅单元素半导体材料的研究达到了相当高的水平。制备集成电路芯片要求高质量、大直径硅单晶。对硅单晶的纯度、位错、均匀性、含氧量、微缺陷等的研究，以及砷化镓材料和其他新材料的研究，都依赖于材料科学和晶体生长技术发展。

与超纯化学的关系

在集成电路制备过程中，如引入微量不需要的杂质，就会引起电路失效。在几十道制备工序中所用的超纯试剂、超纯气体、超纯水和感光胶等，无不有赖于超纯化学的研究成果。

与光学、精密机械和电子、电工学的关系

集成电路专用设备和专用仪器仪表，是研究和生产集成电路必不可少的手段，制备工艺采用微米、亚微米量级的微细加工技术，高精度、高真空、高气压下操作实验和程序控制、自动化等都须借助于设备、仪器仪表的研究和制造。

与环境净化科学的关系

集成电路需要在洁净的环境下进行研制和生产。例如，掩模制作技术、光刻技术等要求在100级、局部0级的超净环境下操作。集成电路进一步向超集成密度发展，制备的环境条件离不开环境净化科学。

科学研究内容

集成电路的研究和发展包括 6个方面的内容。

设计和结构分析

早期，中、小规模集成电路设计和掩模版制作多靠人工完成，进入大规模集成阶段后，人工设计必须借助集成电路计算机辅助设计，通过人机交互自动实现。

（1）逻辑设计：对数字逻辑电路来说包括初步逻辑设计、逻辑综合、绘制出逻辑图、划分并列出接线表、产生自动测试图案和进行逻辑模拟，由计算机模拟输出。

（2）电路设计：在逻辑设计之后进行，包括初步电路设计、单元布局、电路分析、建立电路元件数学模型和通过计算机进行电路模拟计算。

（3）器件设计：根据器件中的杂质分布计算器件的电特性。

（4）工艺设计：模拟工艺过程，根据工艺参数对器件、电路的电性能参数的影响，选择最佳工艺条件，必要时也可对电路设计、器件设计提出修改。

（5）版图设计：根据电路分析模拟完成电路设计图，进行电路几何图形和版图设计，并由计算机辅助制版系统实现自动制版。

（6）编制计算机辅助测试程序。为了完成上述各种模拟设计，需要建立标准单元库和模型参数库。

计算机辅助设计新方法和手段的研究

研究如何用好计算机进行辅助设计，建立新方法和新手段是设计和结构分析中的新课题。为集成电路设计提供的常用软件有：

（1）逻辑设计方面的如逻辑检查程序、逻辑综合程序、自动设计 PLA程序和测试码自动产生程序等。它们用于研究逻辑简化、布尔代数关系检查、测试码的自动产生和逻辑电路自动设计；

（2）电路设计方面的如电路模拟程序、时序模拟程序、混合模拟程序和器件模型参数的优化提取程序；

（3）器件设计方面的如一维、二维和三维的器件模拟程序；

（4）工艺设计方面的如工艺模拟程序；

（5）统计分析和优化设计方面的有工艺统计模拟程序和电路容差分析程序；

（6）版图设计方面的如交互式版图编辑程序、自动布局、布线程序和设计规则检查程序等。

制备工艺和工艺物理

集成电路制备工艺是在硅平面工艺基础上逐步发展起来的。每当工艺技术有了新的突破，集成电路性能就向新的水平推进一步。因此，新的制备工艺和工艺物理研究是一项重要的内容。现有的制备工艺包括单晶大圆片的切、磨、抛、清洗、合金化、扩散掺杂、离子注入掺杂、氧化、表面钝化、光刻曝光和微细刻蚀、蒸发、溅射、压焊、化学汽相淀积工艺、外延生长、隔离技术、自对准技术、金属互连工艺、亚微米微细加工工艺技术等。在制备工艺的不断发展过程中，在传统的高温工艺基础上提出了低温工艺，在化学腐蚀工艺方面提出了干法工艺、全离子工艺，从机械对准发展为自对准技术等。

测试方法研究和测试手段

随着集成电路进入超大规模集成和系统集成阶段，大规模集成电路测试已成为一个重要方面。超集成元件数量增加和功能齐全，测试项目和测试速度已非人工所能胜任，计算机辅助测试已成为必要手段，而计算机辅助测试中新方法的研究、新图形的产生都属于这方面的研究内容。集成电路从设计开始就必须同时进行测试方法的设计。

可靠性和失效分析

集成电路把传统的电子电路的焊接点减少到几十个焊点，使电路的可靠性大大提高。可靠性高是集成电路的特点之一。可靠性的研究包括：

（1）集成电路产品按宏观统计量抽样进行例行试验。例行试验的每一项目是模仿使用集成电路产品时的客观现场环境、恶劣条件进行的。模拟项目有振动、谐振、机械冲击、例行加速、高低温循环、高温存储、盐雾、高压水汽、动态加电老化、氦质谱检漏、辐照、静电感应、寄生参量效应等试验。这些项目按集成电路类别和使用要求选择进行。

（2）建立失效分析模型，对不合格的集成电路产品进行失效分析。从集成电路的设计、制备工艺、原材料、封装、测试和使用条件各个环节寻找失效原因，进行综合性研究。

新集成电路的研制

硅集成电路的研究已开拓了广阔领域，而全部采用硅制作集成电路的局面正在发生变化。

（1）砷化镓的电子迁移率比硅的高4～5倍，寄生电容又可以做得小，电路的速度更高，如数字逻辑集成电路的速度可达10吉赫，而电路功耗仅为硅集成电路类同样产品的1/25～1/40。砷化镓与其他Ⅲ－Ⅴ族化合物材料结合，可望获得更高的电子迁移率，并可以和光电器件集成在同一衬底上，它比硅器件更耐高温和辐射。在77K低温下工作优于4K的约瑟夫逊结器件。这是未来超高速超大规模集成电路的研究方向之一。

（2）高电子迁移率晶体管由砷化镓和镓、铝、砷结合而成，速度甚高，室温单门延迟已达10～20皮秒。

（3）光集成电路和光存储器能利用光子片借助光传递信息。这种芯片对光、电信号都能处理，预计芯片面积更小，速度快，发热量小。光存储器组成光盘具有存储14兆字节以上的容量。

（4）超晶格器件是利用分子束外延把近似100埃的InAs、AlSb、GeSb三层结构分别以原子层一层一层地外延生长制成的，能达到高集成度和高速度。

（5）三维集成电路使硅集成电路从传统的平面结构，走向立体多层结构。可利用现有集成电路工艺制作多层、层间用绝缘层隔离，并立体互连的结构。人们已提出叠层高密度结构和叠层多功能结构两种电路模式，这两种模式正向智能集成电路方向发展。

参考文章

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