微電子概論PPT1

1、微電子學概論微電子學概論唐 軍 0351-本課程的學習目的什么是微電子學和微電子學是研究什么的對微電子學的發(fā)展歷史、現狀和未來有一個比較清晰的認識初步掌握半導體物理、半導體器件物理、集成電路工藝、集成電路設計、集成電路CAD方法、MEMS技術等基本概念，對微電子學的整體有一個比較全面的認識考試閉卷考試70%+平時30%（包括作業(yè)）參考書 微電子學概論. 張興/黃如/劉曉彥. 北京大學出版社 半導體器件物理與工藝. 施敏. 蘇州大學出版社講授方式 以多媒體課堂教學為主；學習方法 學習方法比學習知識更加重要 廣博與深入相結合 基礎的一些知識一定要掌握 知識不是孤立的，融會貫通本課程的教學方法本課程

2、的主要課程內容 第一章 緒論 第二章 半導體物理和半導體器件物理基礎 第三章集成電路制造工藝 第四章集成電路設計 第五章集成電路設計的CAD系統 第六章幾類重要的特種微電子器件 第七章微機電系統 第八章微電子技術發(fā)展的規(guī)律和趨勢第一章 緒論（微電子學常識）6微電子學：Microelectronics微電子學微型電子學核心集成電路分立電路：分立電路：將電阻、電容等將電阻、電容等無源元件和無源元件和晶體管、二極管等晶體管、二極管等有源器件有源器件在電路板上連接起來，實現一定的電路功能。在電路板上連接起來，實現一定的電路功能。不依靠外加電源可獨立不依靠外加電源可獨立表現其外特性的元件表現其外特性的元

3、件 集成電路：Integrated Circuit (IC) 將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片(如硅或砷化鎵)上 通過一系列特定的加工工藝來集成 封裝在一個外殼內 執(zhí)行特定電路功能集成電路集成電路微電子學:研究在固體（主要是半導體）材料上構成的微小型化器件、電路及系統的電子學分支學科脫胎于電子學和固體物理學的邊緣性的技術學科集成電路集成電路( (集成電路塊集成電路塊) )芯片：芯片：chipchip，diedie芯片的尺寸很小芯片的尺寸很小集成度：一定尺寸的芯片集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件數目（或上集成的元器件數目（或者門

4、的數目）者門的數目）內部電路內部電路硅單晶片與加工好的硅片硅單晶片與加工好的硅片硅片：硅片：waferwafer芯片：芯片：chipchip，diedie集成電路芯片的顯微照片13 Vss poly 柵 Vdd 布線通道 參考孔 有源區(qū) N+ P+ 1464M SDRAM （華虹NEC生產）芯片面積5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1個IC中含有1.34億只晶體管15 50 m100 m頭發(fā)絲粗細頭發(fā)絲粗細 30 m1 1 m m 1 1 m m( (晶體管的大小晶體管的大小) )30503050 m m( (皮膚細胞的大小皮膚細胞的大小) )9090年代生產的集成電路中晶體管

5、大小與人類頭年代生產的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較認識集成電路芯片19封裝好的集成電路集成電路集成電路集成電路的內部電路集成電路的內部電路VddABOut引腳集成電路位置封裝管殼引腳識別標記 微電子學是信息領域的重要基礎學科，在信息領域中，微電子學是研究并實現信息獲取、傳輸、儲存、處理和輸出的科學，是研究信息載體的科學，構成了信息科學的基石。其發(fā)展水平直接影響著整個信息技術的發(fā)展。 微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科，其中包括了半導體器件物理、集成電路工藝和集成電路及系統的設計、測試等多方面的內容； 涉及了固體物理學、量子力學、熱力學、統

6、計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、計算機輔助設計、測試與加工、圖論、化學等多個領域。 微電子學是一門發(fā)展極為迅速的學科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學的發(fā)展方向。 信息技術發(fā)展的方向是多媒體（智能化）、網絡化和個體化。要求系統獲取和儲存海量的多媒體信息、以及高速度精確可靠的處理和傳輸這些信息并及時地把有用的信息顯示出來或用于控制。 超高容量、超高速、超高頻、超低功耗是信息技術無止境的追求目標，是微電子技術迅速發(fā)展的動力。 微電子學的參透性及其，它可以與其他學科結合而誕生出一系列新的交叉學科，例如它與機械、光學的結合導致了微機電系統（MEMS）的出現，他與生物科學結合誕生了生

7、物芯片。 MEMS和生物芯片都是近年來發(fā)展起來的具有極其廣闊應用前景的新技術。微電子是信息社會發(fā)展的基石集成電路的作用微電子對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用微電子對國家安全與國防建設的作用 自然界和人類社會的一切活動都在產生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，是人類社會、經濟活動的重要資源。 社會的各個部分通過網絡系統連接成一個整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會信息化、網絡化和數字化。 實現社會信息化的網絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是微電子。 1946年第一臺計算機：ENIAC（ Electronic Numerical

8、Integrator Electronic Numerical Integrator and Calculatorand Calculator ）1.2.1 微電子是信息社會發(fā)展的基石第一臺通用電子計算機：第一臺通用電子計算機： ENIAC ENIAC Electronic Numerical Electronic Numerical Integrator and Integrator and CalculatorCalculator19461946年年2 2月月1414日日Moore SchoolMoore School，Univ. of Univ. of PennsylvaniaPenns

9、ylvania18,00018,000個電子管組成個電子管組成大?。洪L大小：長24m24m，寬，寬6m6m，高，高2.5m2.5m速度：速度：50005000次次/sec/sec； 重量：重量：3030噸；噸；功率：功率：140KW140KW；平均無故障運行時間：平均無故障運行時間：7min7min1.2.1 微電子是信息社會發(fā)展的基石1946，美國莫爾學院18000真空管150m2, 30噸，140kW7000次/s7分國寶級300倍縮小100萬倍縮小3000萬倍縮小140萬倍快10萬倍長70萬倍沒有辦法比世界最初的電子管計算機ENIAC(左）與IC CPU 的比較開發(fā)時間器件數尺寸重量功耗

10、運算速度壽命價格1996，Intel5500萬晶體管150mm2, 0.1克0.1 W10億次/s10年100元1.2.1 微電子是信息社會發(fā)展的基石 這樣的計算機能夠進入辦公室、車間、連隊和家庭？當時有的科學家認為全世界只要4臺ENIAC就夠了。 目前，全世界計算機不包括微機在內有幾百萬臺，微機總量約6億臺，每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量1.2.2 集成電路的作用 小型化 價格急劇下降 功耗降低 故障率降低?集成電路的戰(zhàn)略地位首先表現在當代國民經濟的“食物鏈”關系1.2.2 集成電路的作用據美國半導體協會（據美國半導體協會（SIASIA）預測）預測集成電路產值集成電路產值1

11、萬億美元萬億美元GDP50萬億美元萬億美元1.2.2 集成電路的作用世界世界GDPGDP增長與世界集成電路產業(yè)增長情況比較增長與世界集成電路產業(yè)增長情況比較 ?抓住集成電路產業(yè)，就能促進GDP高速增長1.2.2 集成電路的作用?其次，統計數據表明，發(fā)達國家在發(fā)展過程中都有一條規(guī)律： 集成電路（IC）產值的增長率（RIC）高于電子工業(yè)產值 的增長率（REI）。電子工業(yè)產值的增長率又高于GDP的增長率（RGDP）。 一般有一個近似的關系 ： RIC1.52REI REI3RGDP1.2.2 集成電路的作用 根據 IMF (International Monetary Fund ) RIC1.7RE

12、I REI3RGNP15%9%3%From S.M.SZE1.2.2 集成電路的作用1985-1990年間世界半導體商品市場份額年間世界半導體商品市場份額日本公司日本公司美國公司美國公司39%37.9%51.4%50%人均人均IC產值年增長率產值年增長率 人均電子工業(yè)年增長率人均電子工業(yè)年增長率 人均人均GNP年增長率年增長率 日本日本美國美國 日本日本美國美國 日本日本美國美國2.2%1.1%0.1%80年代后期-90年代初美國采取了一系列增強微電子技術創(chuàng)新和集成電路產業(yè)發(fā)展的措施，重新奪回領先地位。90年代以來美國經濟保持持續(xù)高速增長主要得益于信息產業(yè)的發(fā)展，而其基礎是集成電路產業(yè)與技術創(chuàng)

13、新。兩個例子兩個例子1.2.2 集成電路的作用1990199219941996199820001416182022242628303234363840 日 本 美 國 歐 洲 亞 洲市場變化市場變化日本市場縮減日本市場縮減市場份額9090年代日本經濟蕭條的同時，集成電路市場份額嚴重下降年代日本經濟蕭條的同時，集成電路市場份額嚴重下降1.2.2 集成電路的作用我國臺灣地區(qū)我國臺灣地區(qū)6060年代后期人均年代后期人均 GDP(GDP(gross domestic productgross domestic product)200-300)200-300美元美元（19671967年為年為267267

14、美元）美元）70-80年代大力發(fā)展集成電路產業(yè)年代大力發(fā)展集成電路產業(yè)90年代年代IT業(yè)高速發(fā)展業(yè)高速發(fā)展97年人均年人均GDP=13559美元美元1.2.2 集成電路的作用?在信息經濟時代，產品以其信息含量的多少及處理信息能力的強弱，決定著在信息經濟時代，產品以其信息含量的多少及處理信息能力的強弱，決定著附加值的高低附加值的高低決定著在國際經濟分工中的地位決定著在國際經濟分工中的地位!1.2.2 集成電路的作用 銷銷售售額額 利利潤潤 利利潤潤率率 Intel公公司司 294億億美美元元 73億億 美美元元 24.8% 我我國國一一家家以以計計算算機機銷銷售售生生產產為為主主的的IT企企業(yè)業(yè)

15、 200億億人人民民幣幣 5億億 人人民民幣幣 2.5% 我我國國的的VCD產產業(yè)業(yè) 2% 我國我國ITIT企業(yè)與企業(yè)與IntelIntel公司利潤的比較公司利潤的比較同樣，TI公司的技術創(chuàng)新，數字信號處理器（DSP）使它的利潤率比諾基亞高出10個百分點。 如果我們不發(fā)展集成電路產業(yè)如果我們不發(fā)展集成電路產業(yè) IT行業(yè)停留在裝配業(yè)水平上，掙的“辛苦錢”。 在國際分工中我們將只能處于低附加值的低端上。 所以有人戲稱說：“你們說中關村是硅谷，但是一個無“芯”的硅谷，產品不可能有競爭力?！痹跊]有自己集成電路產業(yè)的情況下，我們的高新技術的發(fā)展命脈掌握在他人手中。 當前，微電子產業(yè)的發(fā)展規(guī)模和科學技術水

16、平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志。1.2.2 集成電路的作用?幾乎所有的傳統產業(yè)與微電子技術結合，用集成電路芯片進幾乎所有的傳統產業(yè)與微電子技術結合，用集成電路芯片進行智能改造，都可以使傳統產業(yè)重新煥發(fā)青春行智能改造，都可以使傳統產業(yè)重新煥發(fā)青春 全國各行業(yè)的風機、水泵的總耗電量約占了全國發(fā)電量的30%，僅僅對風機、水泵采用變頻調速等電子技術進行改造，每年即可節(jié)電500億度以上，相當于三個葛洲壩電站的發(fā)電量(157億度/年) 對白熾燈進行高效節(jié)能改造，并假設推廣應用30%，所節(jié)省的電能相當于三座大亞彎核電站的發(fā)電量(139億度/年)1.2.3 微電子對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用數控機床數控

17、機床普通機床普通機床數字化技術改造數字化技術改造價格相差價格相差10倍倍?電子裝備更新換代都基于微電子技術的進步，其靈巧（Smart）的程度都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度 集成集成電路電路整機系統整機系統高附加值高附加值在成長期進入在成長期進入市場，增強市市場，增強市場競爭力場競爭力1.2.3 微電子對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用沒有微電子的電子工業(yè)只能是勞動密集型的組裝業(yè)，不能沒有微電子的電子工業(yè)只能是勞動密集型的組裝業(yè)，不能形成高附加值的知識經濟，中國的硅谷將是無芯的硅谷形成高附加值的知識經濟，中國的硅谷將是無芯的硅谷1汽車汽車530計算機計算機100020001.2.3 微電子

18、對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用微電子對信息社會的重要性 INTERNET基礎設施各種各樣的網絡：電纜、光纖(光電子)、無線 路由和交換技術：路由器、交換機、防火墻、網關 終端設備：PC、NetPC、WebTV 網絡基礎軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE INTERNET服務信息服務: 極其大量的各種信息交易服務: 高可靠、高保密 計算服務: “網絡就是計算機 !”, “計算機成了網絡的外部設備 !”1.2.3 微電子對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用20202020年世界最大的年世界最大的3030個市場領域：個市場領域： 其中與微電子相關的其中與微電子相關的2222個市場：個市場：5 5萬億美元

19、（萬億美元（Nikkei Business 1999Nikkei Business 1999）1.2.3 微電子對傳統產業(yè)的滲透與帶動作用市場市場 銷售額銷售額 （10 億美元）億美元） 市場市場 銷售額銷售額 （10 億美元）億美元） 手提數據通訊手提數據通訊* 630 超薄顯示器超薄顯示器* 170 個人電腦個人電腦* 470 IC 卡卡* 165 移動電話服務移動電話服務* 380 地面微波廣播地面微波廣播* 160 CPU* 300 DNA 生物芯片生物芯片 160 數據存儲產品數據存儲產品* 270 多用途通訊設備多用途通訊設備* 155 磁存儲磁存儲* 250 半導體設備半導體設備

20、* 150 電子商務電子商務* 250 電力交通工具電力交通工具 150 網絡信息服務網絡信息服務* 230 墻壁式超薄電視墻壁式超薄電視* 145 高密度磁存儲高密度磁存儲* 230 移動電話移動電話* 140 系統集成芯片系統集成芯片* 210 直接引入直接引入工具工具 140 家庭醫(yī)療設備家庭醫(yī)療設備* 210 ITS 設備設備 140 互聯網互聯網* 200 DNA 加工食品加工食品 135 有線電視有線電視* 200 液晶顯示器液晶顯示器* 120 智能傳輸系統智能傳輸系統 190 仿制品仿制品 115 代理軟件代理軟件* 180 燃油汽車燃油汽車 110 1.2.4 微電子對國家安

21、全與國防建設的作用?武器裝備水平與社會生產力、經濟基礎有密切關系：在農業(yè)社會：大刀長矛等冷兵器在工業(yè)化社會：槍、炮等熱兵器信息化社會： IC成為武器的一個組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)各類武器裝備經費預算中的電子含量各類武器裝備經費預算中的電子含量*(*(單位：單位：% %) ) 19931993 19941994 19951995 19961996 19971997 19981998 19991999 20002000 20012001 飛機飛機 37.637.6 40.140.1 40.340.3 39.439.4 39.139.1 38.838.8 37.837.8 38.938.9 39.13

22、9.1 導彈導彈 52.952.9 55.255.2 59.359.3 59.959.9 59.659.6 60.360.3 60.160.1 59.559.5 59.959.9 空間空間 5959 57.657.6 58.858.8 58.958.9 58.858.8 6060 60.960.9 61.661.6 61.961.9 艦船艦船 36.236.2 31.131.1 34.934.9 31.431.4 32.832.8 32.132.1 34.834.8 34.934.9 3434 各種炮和武各種炮和武器器 15.715.7 17.517.5 19.319.3 19.819.8 2

23、0.420.4 20.820.8 20.620.6 20.820.8 22.722.7 車輛車輛 14.314.3 14.414.4 16.416.4 22.822.8 26.626.6 25.825.8 24.824.8 28.428.4 29.429.4 國防預算中國防預算中的電子含量的電子含量 40.740.7 41.241.2 41.441.4 41.441.4 4242 42.542.5 42.942.9 43.643.6 43.643.6 1.3 微電子科學技術的發(fā)展歷史 晶體管的發(fā)明 集成電路的發(fā)展歷史 微電子發(fā)展的規(guī)律 我國微電子發(fā)展概況19471947年年1212月月2323

24、日日第一個晶體管第一個晶體管NPN GeNPN Ge晶體管晶體管 W. SchokleyW. Schokley J. Bardeen J. Bardeen W. Brattain W. Brattain1.3.1 晶體管的發(fā)明u晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調制和許多其它功能。u嚴格意義上講，晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極管。u晶體管被認為是現代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術，汽車和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實際上是

25、所有現代電器的關鍵活動元件。晶體管在當今社會的重要性主要是因為晶體管可以使用高度自動化的過程進行大規(guī)模生產的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。1.3.1 晶體管的發(fā)明u 電子管電子管，是一種最早期的電信號放大器件，是一種最早期的電信號放大器件。被封閉在玻璃容器（一般為玻璃管）中。被封閉在玻璃容器（一般為玻璃管）中的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵極、陽極（屏極）引線被焊在管坐上。極、陽極（屏極）引線被焊在管坐上。u 利用電場對真空中的控制柵極注入電子調利用電場對真空中的控制柵極注入電子調制信號，并在陽極獲得對信號放大或反饋制信號，并在陽極獲得對信

26、號放大或反饋振蕩后的不同參數信號數據。振蕩后的不同參數信號數據。u 早期應用于電視機、收音機擴音機等電子早期應用于電視機、收音機擴音機等電子產品中，近年來逐漸被半導體材料制作的產品中，近年來逐漸被半導體材料制作的放大器和集成電路取代放大器和集成電路取代. .同同電子管電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：l構件沒有消耗構件沒有消耗: :無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。隨著技術的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍。l消耗電能極少：消耗電能極少：僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子。一臺晶

27、體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的。l不需預熱：不需預熱：晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的。l結實可靠：結實可靠：比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。1.3.1 晶體管的發(fā)明19581958年第一塊集年第一塊集成電路：

28、成電路：TITI公司的公司的KilbyKilby，1212個器件，個器件，GeGe晶晶片片1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史微電子發(fā)展史上的幾個里程碑 1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技術，現在集成電路產業(yè)中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze 非揮發(fā)存儲器 1968年Dennard單晶體管DRAM 1971年Intel公司微處理器計算機的心臟目前全世界微機總量約6億臺，在美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量。美國歐特泰克公司認為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀改變人類社會和經濟的三大技術創(chuàng)新1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史1.3.2 集成

29、電路的發(fā)展歷史8088Intel 38619711971年第一個年第一個微處理器微處理器4004400420002000多個晶體管多個晶體管10m10m的的PMOSPMOS工藝工藝19821982年年286286微處理器微處理器13.413.4萬個晶體管萬個晶體管頻率頻率6MHz6MHz、8MHz8MHz、10MHz10MHz和和12.512.5MHzMHz404440441.3.2 集成電路的發(fā)展歷史19891989年年4 4月月2525到到50 MHz50 MHz1-0.81-0.8m m 32 Bit32 Bit 120 120萬晶體管萬晶體管Intel 486Pentium199319

30、93年年3 3月月 32 Bit32 Bit 310 310萬晶體管萬晶體管 6060到到166 MHz166 MHz 0.8 0.8m m1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史P6 (Pentium Pro) in 1996150 to 200 MHz clock rate196 mm*25500K transistors(external cache)0.35 micron4 layers metal3.3volt VDD20W typical powerDissipation387 pins1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史19991999年年2 2月，英特爾推出月，英特爾推出Pentium III

31、Pentium III處理器，整處理器，整合合950950萬個晶體管，萬個晶體管，0.25m0.25m工藝制造工藝制造20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4處理器，其整合處理器，其整合55005500萬個晶體管，采用萬個晶體管，采用0.13m0.13m工藝生產工藝生產 20022002年年8 8月月1313日，英特爾開始日，英特爾開始90nm90nm制程的突破，業(yè)制程的突破，業(yè)內首次在生產中采用應變硅；內首次在生產中采用應變硅；20052005年順利過渡到了年順利過渡到了65nm65nm工藝。工藝。1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史 20072007年英特爾

32、推出年英特爾推出45nm45nm正式量正式量產工藝，產工藝，45nm45nm技術是全新的技術，技術是全新的技術，可以讓摩爾定律至少再服役可以讓摩爾定律至少再服役1010年年。1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史多核微處理器多核微處理器1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史 AMDAMD四核四核“Barcelona”Barcelona”處理器處理器 采用采用300mm300mm晶圓，晶圓， 4545納米技術制造納米技術制造1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史發(fā)布英特爾酷睿i7處理器含30億晶體管的GF110核心n2007年1月8日：為擴大四核PC向主流買家的銷售，英特爾發(fā)布了針對桌面電腦的65納米制程英特爾酷睿2四

33、核處理器和另外兩款四核服務器處理器。英特爾酷睿2四核處理器含有5.8億多個晶體管。 n2010年11月，NVIDIA發(fā)布全新的GF110核心，含30億個晶體管，采用先進的40納米工藝制造。 n2011年05月05 日：英特爾成功開發(fā)世界首個3D晶體管，稱為tri-Gate。n除了英特爾將3D晶體管應用于22納米工藝之后，三星，GlobalFoundries，臺積電和臺聯電都計劃將類似于Intel的3D晶體管技術應用到14納米節(jié)點上。1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史解調/糾錯傳輸反向多路器MPEG解碼DRAMDRAM聲頻接口視頻接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM

34、衛(wèi)星/電纜第二代將來第三代SOCSystem On A Chip集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史微米級工藝微米級工藝基于晶體管級互連基于晶體管級互連主流主流CAD：圖形編輯：圖形編輯VddABOut1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB PCB集成集成 工藝無關工藝無關系統系統亞微米級工藝亞微米級工藝依賴工藝依賴工藝基于標準單元互連基于標準單元互連主流主流CAD:CAD:門陣列門陣列 標準單元標準單元集成電路芯片集成電路芯片1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史深亞微米、超深亞微米級工藝深亞微米、

35、超深亞微米級工藝基于基于IPIP復用復用主流主流CADCAD：軟硬件協同設計：軟硬件協同設計1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片 SOCSOC與與ICIC的設計原理是不同的，它是微電子設計領域的一的設計原理是不同的，它是微電子設計領域的一場革命。場革命。 SOCSOC是從整個系統的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、是從整個系統的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、軟件（特別是芯片上的操作系統軟件（特別是芯片上的操作系統- -嵌入式的操作系統）、嵌入式的操作系統）、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個

36、芯片上完成整個系統的功能。它的設計必須從系統行單個芯片上完成整個系統的功能。它的設計必須從系統行為級開始自頂向下（為級開始自頂向下（Top-DownTop-Down）。）。1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史SOCSOC主要三個關鍵支持技術主要三個關鍵支持技術 軟、硬件的協同設計技術軟、硬件的協同設計技術 面向不同系統的軟件和硬件的功能劃分理論（面向不同系統的軟件和硬件的功能劃分理論（Functional Partition Functional Partition TheoryTheory）。硬件和軟件更加緊密結合不僅是）。硬件和軟件更加緊密結合不僅是SOCSOC的重要特點，也是的重要特點，也是2

37、121世紀世紀ITIT業(yè)發(fā)展的一大趨勢。業(yè)發(fā)展的一大趨勢。 IPIP模塊庫的復用技術模塊庫的復用技術 IPIP模塊有三種：模塊有三種： 軟核軟核-主要是功能描述；主要是功能描述； 固核固核-主要為結構設計；主要為結構設計； 硬核硬核-基于工藝的物理設計，與工藝相關，并經過工藝驗證的。其中基于工藝的物理設計，與工藝相關，并經過工藝驗證的。其中以硬核使用價值最高。以硬核使用價值最高。CMOSCMOS的的CPUCPU、DRAMDRAM、SRAMSRAM、E2PROME2PROM和快閃存儲器以及和快閃存儲器以及A/DA/D、D/AD/A等都可以成為硬核。等都可以成為硬核。 模塊界面間的綜合分析技術模塊

38、界面間的綜合分析技術 主要包括主要包括IPIP模塊間的膠聯邏輯技術和模塊間的膠聯邏輯技術和IPIP模塊綜合分析及其實現技術等。模塊綜合分析及其實現技術等。1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史MEMSMEMS技術和生物信息技術將成為下一代半導體技術和生物信息技術將成為下一代半導體主流技術主流技術 MEMSMEMS技術將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現技術將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統。從廣義上講，了微電子與機械融為一體的系統。從廣義上講，MEMSMEMS是指集是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和

39、控制電路、接口電路、通信系統以及電源于一體的微機電系統。、通信系統以及電源于一體的微機電系統。 微電子與生物技術緊密結合的以微電子與生物技術緊密結合的以DNADNA芯片等為代表的生物工芯片等為代表的生物工程芯片將是程芯片將是2121世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點。點。 采用微電子加工技術，在指甲蓋大小的硅片上制作含有多達采用微電子加工技術，在指甲蓋大小的硅片上制作含有多達10-2010-20萬種萬種DNADNA基因片段的芯片。芯片可在極短的時間內檢測基因片段的芯片。芯片可在極短的時間內檢測或發(fā)現遺傳基因的變化。對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治或

40、發(fā)現遺傳基因的變化。對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要作用。療和預防、轉基因工程等具有極其重要作用。 1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史1.3.2 集成電路的發(fā)展歷史? 不斷提高產品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力不斷提高產品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力? 集成電路芯片的集成度每三年提高集成電路芯片的集成度每三年提高4 4倍，而加工特征倍，而加工特征尺寸縮小尺寸縮小 倍，這就是倍，這就是摩爾定律摩爾定律（由（由IntelIntel創(chuàng)始人創(chuàng)始人Gordan MooreGordan Moore提出）提出）

41、21.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律微電子技術發(fā)展的ROADMAP1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律微處理器的性能微處理器的性能100 G100 G10 G10 GGigaGiga100 M100 M10 M10 MMegaMegaKiloKilo 1970 1980 1990 2000 2010 1970 1980 1990 2000 20101.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律集成電路技術是近集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術年來發(fā)展最快的技術微電子技術的進步微電子技

42、術的進步From S.M.SZE 年份年份 特征參數特征參數 1959 1970-1971 2000 比率比率 設計規(guī)則設計規(guī)則 m 25 8 0.18 140 電源電壓電源電壓VDD(伏）伏） 5 5 1.5 3 硅片直徑尺寸硅片直徑尺寸（mm） 5 30 300 60 集成度集成度 6 2 103 2 109 3 108 DRAM密度（密度（bit) 1K 1G 106 微處理器時鐘頻微處理器時鐘頻率率(Hz) 750K 1G 103 平均晶體管價格平均晶體管價格$ 10 0.3 10-6 107 集成電路發(fā)展規(guī)劃集成電路發(fā)展規(guī)劃年份 1997 1999 2001 2003 2006 20

43、09 2012最小線寬 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01(m） DRAM容量 256M 1G 1G4G 4G 16G 64G 256G每片晶體管 11 21 40 76 200 520 1400數（M）芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750(平方毫米） 頻率 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000(兆赫） 金屬化層數 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9最低供電 1.8-2.5 11.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6電壓（v） 最大晶圓 200

44、300 300 300 300 450 450直徑（mm）1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律Moores Law Moores Law 的失效的失效 在100納米以上，不存在紫外線光刻的限制，到100納米以下紫外線的波長將超過最小的晶體管外形尺寸。(Intel)用 “遠紫外線”或氙光的波長縮小到10納米，或(IBM)用X射線產生5納米的光波。朗訊正在研究的電子束刻蝕技術，這些都說明晶體管外形尺寸縮小的限制目前還不是一種障礙。 IBM的鍺硅技術是在硅晶體中的某些位置植入鍺原子，做成微芯片基，這種摻雜鍺的片基比現有二氧化硅的片基的導電性更好，可以減少畸變和電流泄漏，并使晶體管

45、外形尺寸縮小到50納米，這樣芯片的時鐘頻率可高達50GHz，將比奔騰III450快100倍。所以集成系統的速度限制也還沒有到來。 此外，市場的限制。由于高速網、多媒體通信和電視點播的迅速發(fā)展，更快的速度和更高的性能目前對用戶絕非多余。 1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律Moores Law Moores Law 的失效的失效 相反，對摩爾定律的實際限制還是在測試和投資：一是芯片的復雜性加深，已經使得全面地測試其性能成為不可能了，芯片制造商只能依賴統計分析的方法進行測試，這種測試一方面因為測試軟件的Bug不可避免，另一方面是測試軟件開發(fā)的速度趕不上芯片發(fā)展的速度，到2012

46、年時，芯片生產的合格率會從目前的90下降到52，到那時，測試芯片的費用比制造芯片的費用還高。 雖然制造芯片 (按每個晶體管或每單位性能計算) 的成本在不斷下降，但由于片上晶體管的數量按指數在增加，使得一條生產線的費用高達20億美元，若尺寸下降到100納米以下，產家的投資會高達100億美元，這比建一座核電站的費用還高，這時，問題就不是芯片的尺寸是否可以縮小，而是誰投得起如此高昂的資金？ 1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律集成電路市場和產業(yè)結構的發(fā)展規(guī)律集成電路市場和產業(yè)結構的發(fā)展規(guī)律市場及其發(fā)展規(guī)律產業(yè)格局與結構Foundry建設1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電

47、子發(fā)展的規(guī)律3030多年來，集成電路市場指數發(fā)展規(guī)律多年來，集成電路市場指數發(fā)展規(guī)律市場及其發(fā)展規(guī)律1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 同時，集成電路市場又是高度變動的,約十年為一個漲落周期。1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 第一個周期(1975-1984，CAGR=20.4%): 電腦和消費類電子; 產值在幾百億美元 第二個周期(1985-1995，CAGR=20.8%): 中小型電腦、PC機；產值突破1000億美元 第三個周期(1996-2005，CAGR=15.6%): 除PC機外，網絡和通訊裝備，特別是移動通訊裝備; 產值3000億美元1.

48、3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律1998-2003年世界及四大市場年世界及四大市場IC增長率和份額統計表增長率和份額統計表市場增長率市場增長率亞太地區(qū)第一亞太地區(qū)第一市場份額市場份額亞太地區(qū)僅次于美國亞太地區(qū)僅次于美國1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 21世紀，要求移動處理信息，隨時隨地獲取信息、處理信息成為把握先機而制勝的武器。 如果前20年PC是集成電路發(fā)展的驅動器的話，后20年除PC要繼續(xù)發(fā)展外，主要驅動器應該是與Internet結合的可移動（Mobile)、袖珍的（Portable) 實時信息處理設備。 核心電路是數字信號處理器（DSP-Di

49、gital Signal Processor) 將進一步促進IC市場的發(fā)展1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 產業(yè)格局與產業(yè)結構 集成電路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生產出來。 集成電路芯片價格：101 102美元 生產線的投資： 109美元 （8”、0.25微米） 要想贏利：年產量108 集成電路芯片是整機高附加值的倍增器，但不是最終產品，如果不能在整機和系統中應用，那它就沒有價值和高附加值 決定集成電路產業(yè)的建設必須首先考慮整機和系統應用的發(fā)展，即市場的需求1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 集成電路設計滯后現象0.010.1110

50、1980198519901995200020052010微米微米芯片復雜度芯片復雜度柵長柵長58%/年年20%/人年人年設計產率設計產率差距增大差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成電路設計能力增長不能跟上芯片復雜度的增長速率集成電路設計能力增長不能跟上芯片復雜度的增長速率集成電路芯片生產廠大致上可分為三類通用電路生產廠，典型生產存儲器和CPU集成器件制造商(IDMIntegrated Device Manufactory Co.), 產品主要用于自己的整機和系統標準工藝加工廠或稱代客加工廠，即FoundryFoundry名詞來源于加工廠的鑄造車間，無自己產品 優(yōu)良的加工技

51、術(包括設計和制造)及優(yōu)質的服務為客戶提供加工服務客戶群初期多為沒有生產線的設計公司，但是隨著技術的發(fā)展，現在許多IDM公司也將相當多的業(yè)務交給Foundry加工1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律隨技術進步，建廠費用呈指數增加，這時必然出現兩種趨向：各相關公司聯合建廠IBM (International Business Machines)與UMC（臺灣聯華電子公司）的聯合將更多業(yè)務交給Foundry，降低成本Motorola 2001年以后，將有50%以上的產品需從外部提供日本Kawasaki（川崎）公司取消他們計劃建設的0.18m的工廠，代之以與Foundry的合作1

52、.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律Foundry功能要求功能要求行為級行為級多工藝模塊多工藝模塊 p、DSP、E2PROM & Flash、A/D、D/AWafer級級封裝后封裝后成品級成品級邏輯級邏輯級版圖級版圖級MASK研究開發(fā)支持研究開發(fā)支持 Foundry Foundry建設建設FoundryFoundry的建設必須采用系統工程的方法的建設必須采用系統工程的方法基本特征：基本特征：1.3.3 1.3.3 微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)律 2000年年Foundry業(yè)務地區(qū)分布業(yè)務地區(qū)分布Foundry類加工芯片數量占世界集成電路芯片總產量的比例類加工芯片數量占世界集成電路芯片總產量的比例因此美國著名的預測與咨詢公司因此美國著名的預測與咨詢公司Dataguest： 未來屬于未來屬于Foundry1.3.4 我國微電子學的歷史1956年5所學校在北大聯合創(chuàng)建半導體專業(yè)北京大學、復旦大學、廈門大學、南京大學1977年在北京大學誕生第一塊大規(guī)模集成電路1982年，成立電子計算機和大規(guī)模集成電路領導小組80年代：初步形成三業(yè)分離的狀態(tài)制造業(yè)設計業(yè)封裝業(yè)1.3.4 我國微電子學的歷史我國IC骨干企業(yè)地區(qū)分布及銷售情況1.3.4 我國微電子學的歷史上海IC產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標 到到2010年總投資量年總投資量600億美元，建成億美元，建成20 40條條生產線，生