《工程学概论》微电子学.ppt

1,第二章 微电子学,什么是微电子学和微电子学是研究什么的；对微电子学的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识；了解半导体物理、半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路设计、集成电路CAD方法、MEMS技术等基本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识。,2,主 要 内 容,微电子技术简介微电子科学技术的战略地位微电子科学技术的发展历史我国微电子发展概况,3,一.微电子技术简介,4,微电子技术简介微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路,5,电子学,微电子学,6,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,7,封装好的集成电路,8,集成电路,集成电路的内部电路,9,硅单晶片与加工好的硅片,10,12吋（300mm）晶园片,11,集成电路芯片的显微照片,12,64M SDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,13,集成电路的内部单元,14,沟道长度为0.15微米的晶体管,栅长为90纳米的栅图形照片,15,50m,100 m头发丝粗细,30m,1m 1m(晶体管的大小),3050m(皮肤细胞的大小),90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,16,集成电路设计与制造的主要流程框架,17,集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证,设计业,18,制造业,芯片制造过程,AA,19,封装好的集成电路,封装与测试业,20,微电子的特点,微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m106m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科,21,微电子的特点,微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等,22,二.微电子科学技术的战略地位,23,自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。,微电子：信息社会发展的基石,24,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1946年第一台计算机：ENIAC,这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量,25,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ.of Pennsylvania18,000个电子管组成,大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min,26,集成电路的作用,小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低,27,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%,28,据美国半导体协会（SIA）预测,2012年,29,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,30,根据IMF（国际货币基金组织）RIC1.7REI REI3RGDP,31,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,32,1985-1990年间世界半导体商品市场份额,日本公司,美国公司,39%,37.9%,51.4%,50%,人均IC产值年增长率 人均电子工业年增长率 人均GNP年增长率,日本美国 日本美国 日本美国,2.2%,1.1%,0.1%,80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。,两个例子,33,90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。,34,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,35,在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位,36,我国IT企业与Intel公司利润的比较,同样，TI公司（美国德州仪器公司）的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。,37,如果我们不发展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。,38,几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年),微电子对传统产业的渗透与带动作用,39,电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度,微电子对传统产业的渗透与带动作用,40,没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷,41,微电子对国家安全与国防建设的作用,武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成单元，电子战、信息战,42,微电子对国家安全与国防建设的作用,43,微电子对信息社会的重要性,INTERNET基础设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线.路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关.终端设备：PC、NetPC、WebTV.网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.INTERNET服务信息服务:极其大量的各种信息交易服务:高可靠、高保密.计算服务:“网络就是计算机!”,“计算机成了网络的外部设备!”,44,2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）,微电子产业的战略重要性,45,作 业,列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用用你自己的话解释微电子学、集成电路的概念,46,三.微电子科学技术的发展历史,47,晶体管的发明,理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,48,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，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen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(10MHz下放大100倍）,49,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,50,1947年12月23日第一个晶体管NPN Ge晶体管 W.Schokley J.Bardeen W.Brattain,获得1956年Nobel物理奖,贝尔实验室的巴丁和布拉顿用两个金属探针探测一片半导体锗片,把锗片作为一个公共电极,两个金属探针作为电极,发现一个金属电极上的电流变化,能使另一金属电极上的电压成比例改变,这就是晶体管的雏形。在巴丁和布拉顿实验发现晶体管效应几个月后,1948年初同在贝尔实验室的肖克莱,从理论上提出了两个平行的PN结构成结型晶体管的设想。1949年贝尔实验室完成了第一个锗的PNP结构,1950年制成了有良好结特性的生长结晶体管,51,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer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,基尔比,52,1958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,53,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C.T.SahCMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze 非挥发存储器1968年Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新,54,55,第一个CPU：4004,56,Pentium III CPU芯片,57,58,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律,微电子发展的规律,59,基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E.Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,60,微处理器的性能,100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo,1970 1980 1990 2000 2010,导入期,MooresLaw,成熟期,61,集成电路技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,62,集成电路市场和产业结构的发展规律,市场及其发展规律产业格局与结构Foundry建设,63,30多年来，集成电路市场的成长迅速，基本上是一条指数发展规律。,资料来源：WSTS.00/5 制图:黄逸平、Mabel,市场及其发展规律,64,同时，集成电路市场又是高度变动的,约十年为一个涨落周期。,65,第一个周期(1975-1984，CAGR=20.4%):国防工业、工作站、大型电脑和消费类电子;4和5;产值在几百亿美元第二个周期(1985-1995，CAGR=20.8%):中小型电脑、PC机；8；产值突破1000亿美元第三个周期(1996-2005，CAGR=15.6%):除PC机外，网络和通讯装备，特别是移动通讯装备;8 和12;产值3000亿美元,66,67,1998-2003年世界及四大市场IC增长率和份额统计/预测表,68,21世纪，要求移动处理信息，随时随地获取信息、处理信息成为把握先机而制胜的武器。如果前20年PC是集成电路发展的驱动器的话，后20年除PC要继续发展外，主要驱动器应该是与Internet结合的可移动（Mobile)、袖珍的（Portable)实时信息处理设备。核心电路是数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor),69,产业格局与产业结构,集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。集成电路芯片价格：101 102美元生产线的投资：109美元（8”、0.25微米）要想赢利：年产量106集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即市场的需求,70,集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型生产存储器和CPU集成器件制造商(IDMIntegrated Device Manufactory Co.),产品主要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工,71,资料来源：Digitimes整理 2000/制图：李柏毅、Mabel,前两类厂家，IDM,与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了Fabless Co.和Foundry的出现。,IP模块和Chipless Co.出现,1980,1980 1990,72,集成电路设计滞后现象,0.01,0.1,1,10,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,微米,芯片复杂度,栅长,58%/年,20%/人年,设计产率,差距增大,10G1G100M10M1M100K10K1K,集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率,73,资料来源：Digitimes整理 2000/制图：李柏毅、Mabel,前两类厂家，IDM,与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了Fabless Co.和Foundry的出现。,IP模块和Chipless Co.出现,集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。不同的产业发展阶段，产业结构可以有不同的形式,IP：知识产权(Intellectual Property),1980,1980 1990,74,Foundry功能要求,行为级,多工艺模块p、DSP、E2PROM&Flash、A/D、D/A,Wafer级,封装后成品级,逻辑级,版图级,MASK,研究开发支持,Foundry建设,Foundry的建设必须采用系统工程的方法基本特征：,75,随技术进步，建厂费用呈指数增加，这时必然出现两种趋向：各相关公司联合建厂IBM、Infineon与UMC的联合将更多业务交给Foundry，降低成本Motorola已经表示到2001年，将有50%以上的产能需从外部提供日本Kawasaki公司取消他们计划建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作,76,2000年Foundry业务地区分布（Semico Research Corp.,2-2000,counrtesy of Amkor Wafer Fabrication Services）,77,Foundry类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例（资料来源：Dataquest）,因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest：未来属于Foundry,78,四.我国微电子发展概况,79,我国微电子学的历史,1955年5所学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、谢稀德、高鼎三、林兰英学生：王阳元、许居衍等1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路,80,我国微电子学的历史,1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组主任：万里80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业,81,我国年微电子发展展望,我国IC骨干企业地区分布及销售情况,82,我国年微电子发展展望,上海IC产业发展战略目标,到2010年总投资量600亿美元，建成20 40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业,83,我国年微电子发展展望,上海中芯国际：14.76亿美元，8英寸，0.25微米，4.2万片/月上海宏力16.37亿美元，8英寸，0.25微米，4万片/月北京华夏半导体13亿美元，8英寸，0.25微米天津Motorola MOS1714.75亿美元，8英寸，0.25微米，6000片/周,84,我国微电子发展展望,北京讯创2亿美元，6英寸，0.35 0.6微米，3万片/月上海贝岭6英寸，7.88亿元，0.5 0.35微米数模混合集成电路，1.5万片/月杭州士兰6英寸,85,未来十年将是我国微电子产业的黄金时期,我国年微电子发展展望,86,重 点,基本概念微电子、集成电路、集成度微电子的战略地位对人类社会的巨大作用,87,结束语,2000年：以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金”采取正确的战略，就可以在集成电路领域就有可能后来居上至少在今后50年，微电子技术仍会高速发展,88,作 业,简单叙述微电子学对人类社会的作用,