集成电路原理与设计补充.ppt

2023/9/16,1,集成电路设计原理,巢湖学院陈初侠,The Principles of Integrated Circuit Design,2023/9/16,2,课程介绍,课程任务课程教学内容及安排教材及参考书成绩考核办法,第一章,2023/9/16,3,课程任务,本课程的任务是：在巩固电子类专业基础课（电路分析、数电、模电）及相关专业课程（半导体物理、半导体工艺原理、微电子器件）的前提下，学习并掌握IC的基本单元结构、工作原理及其电学特性以及集成电路工艺及其进展，能利用MOS器件构建数字集成电路并根据不同设计要求（面积，速度，功耗和可靠性），进行电路分析和优化设计的能力。,返回,2023/9/16,4,课程教学内容及安排,总学时：64学时（课堂教学64学时）课堂教学内容：第一章：绪论（2课时）第二章：集成电路制作工艺（8课时）第三章：集成电路中的器件及模型（8课时）第四章：数字集成电路的基本单元电路（20课时）第五章：数字集成电路中的基本模块（8课时）第六章：COMS集成电路的I/O设计（4课时）第七章：MOS存储器（6课时）第八章：集成电路的设计方法和版图设计（4课时）,返回,2023/9/16,5,教材及参考书,教材：甘学温，赵宝瑛等著，集成电路原理与设计，北京大学出版社，2006。,参考书目：Jan M.Rabaey等著，周润德等译，数字集成电路：电路、系统与设计(第2版)，电子工业出版社，2004年；Sung-Mo Kang等著，王志功等译，CMOS数字集成电路分析与设计(第3版)，电子工业出版社，2004年。,2023/9/16,6,参考书目：R.Jacob Baker等著，陈中建译，CMOS电路设计、布局与仿真，机械工业出版社，2006年；Neil H.E.Weste,David Harris等著，CMOS大规模集成电路设计（英文版 第3版），影印本，机械工业出版社，2005年。,返回,2023/9/16,7,成绩考核办法,考核方式平时（上课、作业等情况）理论笔试（考试）总成绩 总成绩=0.7笔试成绩 0.3平时成绩（考勤+作业）,返回,2023/9/16,8,第一章 绪 论,1.1 集成电路的重要作用1.2 集成电路及其分类1.3 描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标1.4 集成电路设计与制造的主要流程框架1.5 集成电路的发展历史1.6 集成电路的发展规律1.7 未来的发展和挑战1.8 我国微电子的发展概况,课程介绍,2023/9/16,9,实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子（集成电路）。,1.1 集成电路的重要作用,2023/9/16,10,集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系,进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%,2023/9/16,11,据美国半导体协会（SIA）预测,2012年,2023/9/16,12,其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDP,2023/9/16,13,世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE商业部）,抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长,2023/9/16,14,我国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元（1967年为267美元）,70-80年代大力发展集成电路产业,90年代IT业高速发展,97年人均GDP=13559美元,返回,2023/9/16,15,1.2 集成电路及其分类,1.什么是集成电路？Integrated Circuit，缩写IC 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的微型结构。,2023/9/16,16,几个概念,微电子学：Microelectronics一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科 半导体：Semiconductor内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法 集成电路IC（Integrate Circuit）：一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成 芯片：chip/die没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SoC（System on a Chip）：微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能,2023/9/16,17,2.集成电路的分类,2023/9/16,18,按器件结构类型分类,双极集成电路：主要由双极晶体管构成只含NPN型晶体管的双极集成电路（数字电路）含NPN型及PNP型晶体管的双极集成电路（模拟电路）金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(Bi-MOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi-MOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂,优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低,功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高,2023/9/16,19,按集成电路规模分类,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）尽管英语中有VLSI，ULSl和GSI之分，但VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。,2023/9/16,20,规摸大小通常按集成度或每个芯片的门数来划分，如下表所示（以逻辑IC为例）。集成电路规模的划分,此外，还有按其他标准的一些IC分类，如按电路功能和所处理信号的不同，可分数字或逻辑IC（Digital/Logic IC）、模拟IC（Analog IC）和数模混合IC（Digital-Analog Mixed IC）；根据所采用晶体管的不同，又可分为双极型IC和MOS型IC。,返回,2023/9/16,21,1.3 描述集成电路工艺技术水平 的五个技术指标,1.集成度（Integration Level）2.特征尺寸(Feature Size)3.晶片直径(Wafer Diameter)4.芯片面积(Chip Area)5.封装(Package),2023/9/16,22,1.集成度（Integration Level）是以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。晶片集成(Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。,返回,2023/9/16,23,特征尺寸从4m70nm的成比例减少的线条,2.特征尺寸(Feature Size)/（Critical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.15 m、0.13m工艺，Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 m。下图自左到方给出的是宽度从4m70nm按比例画出的线条。由此，我们对特征尺寸的按比例缩小有一个直观的印象。,返回,2023/9/16,24,尺寸从2寸12寸成比例增加的晶圆,3.晶片直径(Wafer Diameter)为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋12吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。,返回,2023/9/16,25,通过下图以人的脸面相对照，我们可以对一个12吋晶圆的大小建立一个直观的印象。一个12吋晶圆与人脸大小的对比,2023/9/16,26,4.芯片面积(Chip Area)随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。5.封装(Package)IC的封装最初采用插孔封装THP(through-hole package)形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装(SMP)技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印制电路板的两面，使电路板的费用降低60，并使性能得到改进。,返回,2023/9/16,27,1.4 集成电路设计与制造的主要流程 框架,2023/9/16,28,Production Process Flow,晶圆片多探针测试，坏的芯片打标记,IC制造有以下5个过程,硅晶圆片,晶圆处理制程,打字、最后测试,封装,布满芯片的硅晶圆片,2023/9/16,29,集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证,集成电路芯片设计过程框架,2023/9/16,30,硅单晶片与加工好的硅片,2023/9/16,31,集成电路芯片的显微照片（44mm）,2023/9/16,32,64M SDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，1个IC中含有1.34亿只晶体管,2023/9/16,33,集成电路的内部单元,2023/9/16,34,封装好的集成电路,返回,2023/9/16,35,1.5 集成电路的发展历史,1.晶体管的发明 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley肖克莱，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉顿。Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管,2023/9/16,36,2023/9/16,37,二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发明作好了理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组，开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中，肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很多。经过周密的分析，巴丁提出表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。,2023/9/16,38,1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山（Mountain View）贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱（William Shockley，19101989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（John Bardeen，19081991）和美国纽约州缪勒海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉顿（Walter Brattain，19021987），以表彰他们在1947年12月23日 发明第一个对半导体的研究和NPN点接触式Ge晶体管效应的发现。,2023/9/16,39,世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管,2023/9/16,40,2.集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer达默 第一次提出了集成电路的设想。1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果,2023/9/16,41,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,2023/9/16,42,1958年发明第一块简单IC的美国TI公司Jack S.Kilby 杰克基尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特克勒默和俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管。,赫伯特克勒默 杰克基尔比 泽罗斯阿尔费罗夫,2023/9/16,43,青年基尔比,第一块集成电路,集成电路草图,1958年9月12日，TI公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。Kilby本人也因此与赫伯特克勒默和俄罗斯的泽罗斯阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。,Ge 衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743,2023/9/16,44,1959年 美国仙童/飞兆公司（Fairchilds）的R.Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。,1959年仙童公司制造的IC,年轻时代的诺伊斯,2023/9/16,45,60年代 TTL、ECL出现并得到广泛应用。1966年 MOS LSI发明（集成度高，功耗低）70年代 MOS LSI得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）VLSI，典型产品64K DRAM，16位 MPU 80年代 VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段（其标志为特征尺寸小于2m，集成度105个元件/片）典型产品4M DRAM(集成度 8106，芯片面积91mm2，特征尺寸0.8m，晶片直径150mm)，于89年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。,3.集成电路发展简史,2023/9/16,46,90年代 ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品。1 G DRAM(集成度2.2109，芯片面积700mm2，特征尺寸0.18m，晶片直径200mm)，2000年开始商业化生产，2004年达到生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPU(P4)己超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。集成电路的速度不断提高，采用0.13m CMOS工艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高工作频率已超过6GHz。,2023/9/16,47,21世纪 集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SoC(System-on-Chip)成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的65纳米制程的硅片，Intel2004 年8月宣布，他们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。使用65纳米制程生产的芯片中门电路的数目是90纳米制程的1/3。SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。,返回,2023/9/16,48,1.摩尔定律定义：集成电路中的晶体管数目（也就是集成度）大约每18个月翻一番。,1.6 集成电路的发展规律,Moores Law：The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month.,2023/9/16,49,摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的贡献：特征尺寸不断缩小，大约每3年缩小1.41倍；芯片面积不断增大，大约每3年增大1.5倍；器件和电路结构的改进。19591975年IC集成度提高64K倍器件尺寸缩小使IC集成度增长32倍芯片面积增大使IC集成度增长20倍器件和电路结构的改进使IC集成度增长100倍,2023/9/16,50,摩尔定律的验证,2023/9/16,51,摩尔定律的前景,摩尔定律问世40年了。人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。目前，Intel的微处理器芯片Pentium 4的主频已高达2G（即1 2000M），2011年则要推出含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？不需要复杂的逻辑推理就可以知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。问题只是这一极限是多少，以及何时达到这一极限。业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素一是技术，二是经济。,返回,2023/9/16,52,2.指导集成电路发展的等比例缩小定律,什么是Scaling-down，它对集成电路的发展有什么重要作用？Scaling-down是指集成电路中的器件尺寸等比例缩小，为了保证器件性能不变差，衬底掺杂浓度要相应增大。通过Scaling-down使集成电路的集成度不断提高，电路速度也不断提高，因此Scaling-down是推动集成电路发展的重要理论。,2023/9/16,53,按比例缩小理论,为了跟上摩尔定律，器件尺寸需要不断缩小，而短沟效应等二级效应会相应出现，为了抑制二级效应，在器件按比例缩小过程中需要遵守一定的规则:恒定电场（CE）等比例缩小定律恒定电压（CV）等比例缩小定律准恒定电场（QCE）等比例缩小定律,2023/9/16,54,CE等比例缩小定律出发点：如果在缩小尺寸的过程中能够保证器件内部的电场强度不变，则器件性能就不会退化。要求：所有几何尺寸，包括横向和纵向尺寸，都缩小k倍；衬底掺杂浓度增大k倍；电源电压下降k倍。影响：集成度k2倍增长电路的速度增大k倍功耗降低了k2倍获得了异常优秀的结果，但是要求电源电压和器件尺寸以相同的比例缩小给电路的使用带来不便。,2023/9/16,55,CV等比例缩小定律要求：所有几何尺寸都缩小k倍；电源电压保持不变；衬底掺杂浓度增大k2倍。影响：集成度增大k2倍电路的速度提高k2倍功耗k倍增大，功耗密度k3倍增加产生的问题：功耗及功耗密度增长很快强电场引起的载流子漂移速度饱和限制了器件驱动电流的增加，影响了等比例缩小带来的电路性能改善,2023/9/16,56,QCE等比例缩小定律要求：-器件尺寸k倍缩小，-电源电压/k倍（1k）变化，-衬底掺杂浓度增大k倍 耗尽层宽度和器件尺寸一样缩小，同时维持器件内部电场分布不变，但是电场强度增大倍,2023/9/16,57,1.7 未来的发展和挑战,21世纪硅微电子芯片将沿着以下四个方向发展：1、继续沿着Moore定律前进；2、片上系统（SOC）；3、灵巧芯片，或赋予芯片更多的灵气；4、硅基的量子器件和纳米器件。1、特征尺寸继续等比例缩小，沿着Moore定律继续高速发展 所谓Moore定律是在1965年由INTEL公司Gordon.Moore提出的，其内容是硅集成电路按照4年（后来发展到34年）为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。,2023/9/16,58,沿着Moore定律发展,必然会提出微电子加工尺度和器件尺度的缩小有无极限的问题.对于加工技术极限,主要是光刻精度，随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝技术的发展。现在看来，这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变今日硅芯片以CMOS为基础的局面。,2023/9/16,59,为了突破MOS器件的物理极限，发展下一代微电子芯片，科技界正在研究各种可能的新一代微电子器件，包括：单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件（或统称纳电子学）、厚膜器件和功能器件等等。如果它们中有所突破，那么只要信息化社会发展有需要，微电子芯片仍将沿着Moore定律发展。,2023/9/16,60,2、片上芯片（SOC）：微电子由集成电路（IC）向集成系统（IS）发展 片上芯片（System On a Chip）的概念是20世纪90年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。例如，现在的CPU芯片已可做到延时小于几十ps皮秒的工作速度，可是如果存储器芯片仍是分离于CPU，则由于存取时间及访址延时等限制，这一高速度在计算系统中根本就不能发挥出来。这就要求把它们有机地集成到一个芯片上去。又如，即便使用光束传输信号，其延时也有3.3皮秒/毫米。所以把高速传输的信号引出芯片，通过PCB来将多芯片集成系统的方法显然已不可行。,2023/9/16,61,实际上，即使是封装与芯片压焊块间的连线，由于寄生效应，今后在高速芯片中也要被取消。而采用所谓芯片尺寸封装（CSP），即封装的大小与芯片大小相一致而直接采用倒装焊，显然也会大大限制引出线的数目。实际上也只有把更多功能集成到一个芯片上才能解决今后的管脚数“爆炸”、测试困难和成本高等一系列问题。由此可见，SOC是微电子芯片进一步发展的必然方向。90年代以来，SOC已成为微电子芯片技术发展的热点，现在其市场占IC总市场份额的10%以上，预估，21世纪初期可达50%以上。现在的SOC发展还在初级阶段，需解决一系列工艺（如DRAM、Flash与Logic技术的兼容）、设计（如IP模块智权模块，又称IP核Intellectual-Property Core）技术和设计方法、测试策略及可测试性等技术课题。,2023/9/16,62,现在的SOC芯片有三种主要类型，一种是以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O和A/D、D/A功能于一个芯片上；另一种是以DSP为核心，多功能集成为SOC；再一种则是上两种的混合或者把系统算法与芯片结构有机地集成为SOC。它们在IP利用率、通用性、芯片利用率、性能以及设计周期等方面各具优缺点，因此当前兼容共存。,2023/9/16,63,3、赋予微电子芯片更多的“灵气”微机械电子系统（MEMS）和微光电机系统（MOEMS），生物芯片（biochip）等是20世纪90年代初快速热起来的新技术，被称为硅半导体技术或微电子技术的又一次革命。它的核心是把电子信息系统中的信息获取、信息执行与当前信息处理等主要功能集成于一个芯片上（它们在当前的计算机系统中是分立的）。,2023/9/16,64,从机械、光学、化学和生物等机、器件或系统来看，除了微型化以外，它还赋予这些器件和系统以一定的处理智能。从电子信息系统芯片看，这一技术等于把原来的电脑芯片集成了五官和四肢，并使之成为一个有机体，所以说这使芯片增加了“灵气”。硅MEMS（包括光机电、生物机电、化学机电与系统）发展的根据是：硅不仅是很优秀的电子材料，而且，作为半导体，它也是对各种环境能作出灵敏反应的很好的传感器材料，它的屈服强度、杨氏模量、热膨胀性能等均不亚于不锈钢。因此，它还是很好的机械材料。,2023/9/16,65,在微电子工艺技术基础上，通过多年的研究开发，现在，把整个MEMS系统集成于一个芯片上的“灵巧”芯片技术已经逐渐成熟，MEMS各类器件和系统的年产值已经达到以百亿美元计的水平。在实验室中或小批研制中已出现了如微型化学实验室芯片、微光学平台芯片，乃至包括DNA芯片在内的各种生物芯片等等。这些芯片不仅由于其“微”（体积小），更因其反应速度快，能耗和材料消耗少，以及更符合环保条件等而备受注视。各种灵巧芯片无疑在21世纪将大展威力，成为促进信息社会迅速发展的又一技术支柱。如果在过去40年人们可以用制作的工艺尺寸（如用多少微米或亚微米技术）的精细度来标志微电子芯片的水平，那么在今后的40年里，人们更需用芯片具有多大“灵气”来描述其先进性了。,2023/9/16,66,4、硅基的量子器件和纳米器件,前者理论是清楚的，但从器件发展到电路，所需的技术仍处于发展之中，要进入到比较普遍的应用估计仍需一二十年的时间。至于纳米器件，目前多以原子和分子自组装技术与微电子超深亚微米加工技术相结合的方法进行，特别是近年来碳纳米管的发展令人注目，在速度、集成度、特别是功耗方面都将有重大突破，但离开实际应用可能比硅基量子器件要更远一些。原文见王阳元院士在“纳米CMOS器件”书中写的序（2004年1月科学出版社出版）。,2023/9/16,67,1.8 我国微电子的发展概况,1.我国微电子学的历史 1956年五校在北大联合创建半导体专业：北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学。教师：黄昆、谢希德（女）、高鼎三、林兰英（女）；学生：王阳元、许居衍、陈星弼、秦国刚 2003年9月成立9个国家IC人才培养基地北大、清华、复旦、浙大、西电、上交大、成电、东南、华中科大,2023/9/16,68,人才培养:北大，清华，复旦大学，浙江大学，西安交通大学，上海交通大学，华中科技大，电子科技大，西安电子科技大,华南理工大学,哈尔滨工业大学,西北工业大学,上海同济大学,北京航空航天大学,东南大学。,15个IC人才培养基地,2023/9/16,69,1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组 80年代：初步形成三业分离状态制造业、设计业、封装与测试业 到2001年12月29日深圳获批为止，科技部依次批准了上海、西安、无锡、北京、成都、杭州、深圳共7个国家级IC设计产业化基地。除了这7个城市外，据悉还有武汉、长沙、哈尔滨、珠海等多个城市申请，但未获批准。,2023/9/16,70,集成电路产业由集成电路设计、芯片加工、封装与测试三大部分组成。随着IC设计的重要性的凸显及我国IC设计大环境的改善，IC设计企业规模小、水平较低等，日益成为困扰我国IC业发展的难题，其中，IC高级设计人才的匮乏成为尚处于起步阶段的我国集成的最突出的难题。虽然我国每年约有300万理工科大学生毕业以及数千名从海外回国的技术人员，但其中真正与IC设计相关的专业人才却非常有限。我国是一个集成电路（IC）的“消费大国”，但同时又是一个IC的“生产小国”。,2023/9/16,71,全国共有7个IC产业化基地,设计业已经有典型产品出现：嵌入式CPU:方舟,龙芯.GPU:中星微(世界市场份额40%),IC卡:华大,清华同方,大唐等.国内市场10亿件,2023/9/16,72,我国国产IC约占世界半导体销售额的 1，国内市场满足率不到20。要发展我国的IC产业，IC设计是当务之急，而核心技术的实现依赖的是高水平IC设计人才。前些年我国的电子产品虽然发展很快，但几乎所有国产大型家用电器的关键芯片、国产手机的核心芯片、国产计算机的主要芯片，大都不是国产的，不是我国设计师设计的。其中的原因是，在集成电路（IC）领域里最能体现核心竞争力的我国集成电路设计，其发展正在为人才所困。,2023/9/16,73,据不完全统计，根据全国半导体行业协会集成电路设计分会在2002年10月的统计，国内从事集成电路设计的公司（或组织）约390家，2002年底己超过400家，目前己达600家。而在2000年底这一数字仅为100家左右。但是相对雨后春笋般诞生的设计公司，设计人才特别是高级人才的极度匮乏成为日益突出的大问题：一些新开办的设计单位，公司注册了、牌子也挂了，却到处找不到高水平的设计师，虚位以待的情况比比皆是。更糟糕的是由于设计师的紧缺，导致了各用人单位之间对这类人才的恶性争夺。,2023/9/16,74,集成电路设计是资金密集型、技术密集型和智力密集型的高科技产业，其中资金和技术均可以通过一些方式全面引进，但IC设计人才必须以自己培养为主，这已经成为业内人士的共识。赛迪顾问认为，随着IC设计人才供需矛盾的日益突出，应采用各种手段大力鼓励不同途径的IC设计教育和培训，除高等院校的正规教育外，国家应尤其鼓励工业界和科研界联合运作教育和培训项目。借助政府、高校、EDA厂商、IC设计企业以及整机企业等各方面力量，合作、交流、培训等多种方式相结合，为我国IC设计业培养不同层次的IC人才，是集成电路的发展至关重要的智力资源保障。,2023/9/16,75,最近几年，很多国外公司和台湾公司把生产线建到了上海。随着我国集成电路产业的加速发展，由国家支持成立了以北京、上海为龙头的7个国家级产业化基地，各地也出现了一大批集成电路企业，其中约600家是集成电路设计企业。据2001年12月上海半导体和IC研讨会发布的消息，到2008年，中国IC产业对IC设计工程师的需求量将达到25万人，而目前只有不到4000名。IC设计是新兴学科，现在高校里，和IC最相近的专业是微电子。,2023/9/16,76,在短短的半年多时间里，上海中芯国际、上海宏力微电子、北京首钢、北京信创、天津摩托罗拉等一批中高水平的集成电路生产线相继开工建设或即将建设，形成了我国有史以来最大的一次建设集成电路生产线的高潮。上海还定出了宏伟的发展目标：建成以张江高科技园区为核心，以金桥出口加工区和外高桥保税区为延伸的微电子产业基地，计划十五期间吸引集成电路产业投资150亿美元，建成并投产1015条812英寸集成电路生产线及配套封装、测试线和设计公司。,2023/9/16,77,北京立即跟进，出台了优惠政策，为集成电路企业提供“七通一平”的土地，并优选出八大处高科技园、北京林河工业开发区、北京经济开发区作为北方微电子生产建设基地。规划到2005年以前，建设58条8英寸0.25微米以上水平的生产线，20052010年再建设10条更高水平的生产线。,2023/9/16,78,我国集成电路设计企业现已形成了近百家的产业规模，其中具备一定设计规模的单位有20多家，留学海外，学有所成，回国创业的海外学子已成为CAD行业的一支重要力量。除独资设计公司外，国有集成电路设计公司2000年的总销售额超过了10亿元，其中北京华大、北京大唐微电子、杭州士兰公司和无锡矽科4家设计公司的销售额超过了1亿元。目前，国内每年设计的集成电路品种超过300种，大部分设计公司的技术水平在0.81.5微米之间，最高设计水平可达0.13微米。,2023/9/16,79,中国主要的高科技城市一直盯着集成电路(IC)设计产业。如果说在2000年和2001年他们争夺的是台湾芯片加工服务厂(foundry)的8英寸芯片生产线西移项目的话(当然，这种竞争至今仍在继续)。那么从2001年下半年至今，他们争夺的则是国家科技部的青睐-科技部手里捏着一顶名叫“国家级集成电路设计产业化基地”的桂冠，谁获发一顶受益无穷。,2023/9/16,80,目前，我国集成电路产业已具备了一定的发展基础，初步形成了由8个芯片生产骨干企业，十几家封装厂、几十家设计公司、若干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体，并初步形成了电路设计、芯片制造和电路封装三业并举的局面。,2023/9/16,81,2.我国集成电路的发展现状2002年中国信息技术趋势大会上专家指出的IC技术是IT领域热点技术之一；IC是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。目前我国的半导体集成电路生产分为三大类：IC设计公司（Fabless，无生产线）国内半导体芯片厂家的主流产品是5至6英寸硅片，大约占总量的三分之二强。随着上海华虹NEC公司8英寸生产线的投产，6至8英寸硅片的需求量将上升。芯片加工厂（Foundry）我国集成电路芯片制造业现己相对集中,主要分布在上海、北京、江苏、浙江等省市。后工序（测试、封装、设备）其中IC设计以人为主，脑力密集型，属高回报产业。,2023/9/16,82,3.我国集成电路生产能力方面：93年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。96年为7.09亿块，而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10。99年为23亿块,销售额70多亿元，国内市场占有率不足20，绝大部分依靠进口。2000年需求量为180亿块，预计可生产32亿块。总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相比大约落后15年。但是，目前已具备0.25微米芯片设计开发和0.18微米芯片规模生产能力，以“方舟”、“龙芯”为代表的高性能CPU芯片开发成功，标志着我国已掌握产业发展的部分重大核心技术。,2023/9/16,83,中国半导体产业发展从产业热土的长江三角洲，到市场繁华的珠江三角洲，从长于研发的北方，到人才集聚的西部，有人把这种产业布局，比喻是一只正在起飞的娇燕。其中长江三角洲是燕头，京津环渤海湾地区和珠江三角洲是双翅，而西部是燕尾。中国的IC产业正是以这种燕子阵形的区域格局向前推进。,4.我国微电子发展展望,2023/9/16,84,1)长江三角洲地区,以上海、江苏、浙江为主的长江三角洲，初步形成了开发、设计、芯片制造、封装测试及支撑业和服务在内的完整的IC产业链。IC业界所期待的，关乎产业发展环境的“聚集”效应在这里显现。并在整个中国IC产业格局中举足轻重。长三角地区集成电路产业基础雄厚，这里有国家“908”、“909”主体工程，集中了集成电路芯片制造和封装的骨干企业，杭州士兰等一大批民营IC企业在这里迅速成长。国务院18号文件颁布后，这里更成为集成电路投资的热土。中芯、宏力、和舰等纷纷在这里投资建芯片制造厂，英特尔等一大批国际知名大企业在这里新建或增资封装厂；而科技部布点在这里三个IC设计产业化基地。更是推动着这里设计业的增长，仅上海的IC设计企业就有85家之多。,2023/9/16,85,上海：制造、封装业带到“聚集”效应,国务院18号文件出台后，上海原有IC企业备受鼓舞，纷纷抛出新的投资计划。根据上海集成电路行业协会（下简称SICA）的统计，自2000年6月以来，上海已经引进IC产业战略性布局投资60亿美元；2001年上海地区的IC资本投资到12.62亿美元，占到全国18亿美元总投资的70%。在晶圆制造业中，目前国内规划与在建的8英寸生产线中有50%以上落成户上海，而且上海的晶圆制造项目在工艺水平和工程进度上也处于全国“领跑”的地位。截止到2002年9月底，中芯国际一、二、三厂先后宣告投产，工艺水平达到0.18微米；另一个8英寸项目宏力半导体的建设也在按照时间表进行，预计今年一季度末可以投产。同时，内资企业中，华虹集团麾下的华虹NEC、贝岭、先进三个8英寸项目也处于业务转型和建设之中，将在今年陆续进入晶圆代工市场。而另一个有“标志”意义的项目是，全球第一大代工厂商台积电在上海松江“圈地”两平方公司里，并即将动土。,2023/9/16,