集成电路

定义

半导体集成电路指在一块半导体衬底上至少形成一个电路单元、并把有源器件与无源器件按电路要求互连起来的器件^[4]。其有源器件包括晶体管与二极管，无源器件包括电阻器与电容器，它们依靠特定连线组合起来实现设定的电路或系统功能^[4]。与之相对，集成电路按制作工艺还可分为半导体集成电路与膜集成电路，后者再分为厚膜和薄膜两类^[1]。在通常说法里，集成电路与芯片常被混用，但前者更侧重电路设计与布线，芯片则强调经设计、制造、封装、测试后可直接使用的独立整体^[5]。

按功能与结构划分，半导体集成电路分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路三类^[1]。模拟集成电路又称线性电路，处理幅度随时间连续变化的信号，输入与输出大体成比例；数字集成电路处理在时间和幅度上离散取值的信号，用于逻辑运算与数据处理^[1]。按集成度由低到高，又可分为小规模、中规模、大规模、超大规模、特大规模和巨大规模集成电路；按导电类型则分为双极型与单极型两类，前者工艺复杂、功耗较大，后者工艺简单、功耗较低，更便于实现大规模集成^[1]。

原理

半导体集成电路赖以工作的物理基础是半导体材料的可控导电性。硅、锗、砷化镓等材料的导电能力介于导体与绝缘体之间，并随掺杂、温度和光照发生明显变化，因而可以被加工成各类器件。在硅片上通过掺杂形成 PN 结，即可构成二极管、双极型晶体管和 MOS 晶体管等基本单元，这些单元按电路图连接后承担放大、开关、存储与运算等功能。

制造过程是把设计好的电路图案逐层转移到晶圆上。晶圆通常由高纯单晶硅制成，先经高温提纯、拉单晶、切割与化学机械抛光，再进入前道工序：表面氧化生成二氧化硅薄膜、涂布光刻胶，由光刻机把掩模图案投射到晶圆上，经刻蚀去除未被保护的材料，通过离子注入掺入杂质构建 PN 结，随后以薄膜沉积形成金属互连层与绝缘层^[6]。上述步骤需循环数十次甚至上百次，并穿插多次清洗与抛光，最终在晶圆上叠出立体的电路结构^[6]。加工完成的晶圆经切割、封装与测试，成为可直接装配的成品^[7]。

衡量集成水平常用集成度，即单块芯片所容纳的元器件数目。特征尺寸的缩小使同一面积内可容纳的晶体管数量大幅增加，20 世纪 60 年代以来集成电路由此从小规模推进到巨大规模，集成度提高约 8 至 9 个数量级^[8]。这一趋势的早期表述即摩尔定律，其内容为集成电路上可容纳的晶体管数目约每 18 至 24 个月增加一倍。

发展历程

晶体管是集成电路的直接前提。1947 年贝尔实验室研制出第一只晶体管，此后电子设备仍须把大量分立元件逐一焊接，装配复杂、成本高昂。1958 年 9 月 12 日，德州仪器的杰克·基尔比用一块锗材料同时做出晶体管、电阻和电容，以细金线连接成移相振荡器电路，首次验证了把整个电路做在同一块半导体上的构想^[2]。数月后，仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯提出以硅为基底、在二氧化硅绝缘层上沉积铝线互连的单片集成电路方案；1960 年该公司的工程师团队将此设计变为现实^[2]。基尔比因发明集成电路获得 2000 年诺贝尔物理学奖，两人被公认为集成电路的共同发明者^[9]。

早期集成电路价格昂贵、产量有限，最先用于军事与航天。20 世纪 60 年代初，采用集成电路的计算机与阿波罗导航计算机相继出现，1969 年阿波罗飞船的导航即依赖此类器件^[9]。批量生产使成本明显下降，到 20 世纪 60 年代末至 70 年代初，集成电路进入计算器、助听器等民用产品^[9]。

1971 年英特尔推出 4004 微处理器，是较早进入公开市场的微处理器产品，标志逻辑芯片开始广泛用于消费电子^[9]。同一时期存储器芯片也走向商用，芯片逐渐成为计算机与通信设备的核心部件。此后产业组织方式分化出两种模式：一种是设计、制造、封测一体的整合组件制造商模式，另一种是设计、制造、封测分立的垂直分工模式，后者由无晶圆厂设计公司与晶圆代工厂、封测厂协作完成，已成为当前主流运作方式。

应用

集成电路是电子产品的核心器件，其技术水直接影响下游整机的性能与成本^[4]。半导体产品通常分为集成电路、分立器件、光电子器件与传感器四类，集成电路多年居首，按世界半导体贸易统计组织的预测，2022 年全球集成电路市场规模为 5108 亿美元，占半导体产品的 84.22%^[3]。

从产业链看，集成电路的应用集中在消费电子、计算机与服务器、网络通信、汽车、工业控制、医疗以及军事和航空航天等领域^[6]。按用途还可细分为电视机、音响、通信、遥控、照相机等专用集成电路，以及标准通用集成电路^[1]。技术进步也带动了光伏、半导体照明、平板显示等关联产业的发展^[4]。

中国集成电路市场规模从 2010 年的 1424 亿元增长到 2020 年的 8848 亿元，2010 至 2020 年复合增长率为 20.04%，全球占比由 8.60% 升至 37.54%^[3]。同期进口规模仍然较大，2020 年集成电路进口额为 3500 亿美元，占全部进口商品比重的 16.97%^[3]。2020 年国务院学位委员会批准设置“集成电路科学与工程”一级学科，多所高校随后成立集成电路学院，以加强相关人才培养^[3]。

局限

沿摩尔定律推进的尺寸微缩正遇到物理与经济两方面的限制。晶体管尺寸逼近原子量级后，量子隧穿效应导致栅极漏电加剧，漏电流既浪费电能又转化为热量，影响芯片稳定性与性能。制造端的成本同步上升，极紫外光刻等设备价格高昂、工艺复杂，使“更小即更便宜”的规律不再普遍成立。硅材料本身在器件尺寸持续缩小时，电学性能也渐难维持原有水平。

芯片内部互连同样构成瓶颈。特征尺寸进入深亚微米量级后，集成电路面临寄生效应引起的时序偏差、互连密度过大带来的耦合与串扰，以及功耗上升导致的散热困难和可靠性下降等问题^[8]。这些限制使产业界把部分创新转向三维集成、先进封装与新器件结构，例如以硅通孔实现垂直互连，把微机电系统、射频模块、存储器与处理器集成在同一系统内，以降低功耗、提升系统性能^[8]。

此外，半导体集成电路的设计高度依赖电子设计自动化软件，从逻辑设计、仿真验证到布局布线均需借助此类工具，而相关工具市场长期由少数厂商主导，是产业链上的关键约束环节^[6]。设计本身也不轻松，一颗中央处理器集成的晶体管可达上百亿量级，设计周期常需 1 至 3 年甚至更长^[6]。

参见

• 晶体管 —— 构成集成电路的基本开关与放大单元，其发明是集成电路出现的前提

• 摩尔定律 —— 描述集成电路集成度演进速度的经验规律

• 晶圆 —— 集成电路制造所用的硅基片，电路图案在其上逐层形成

• 光刻 —— 把掩模上的图形转移到晶圆表面的关键工艺

• 芯片 —— 集成电路经设计、制造、封装、测试后形成的独立实体

• 微处理器 —— 把运算与控制功能集成于单一芯片的逻辑集成电路