ch1微电子产业概述.ppt

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1、为什么要学习该课程？,理由很简单,自从1998年以来，电子工业是世界上规模最大的工业，其全球销售量超过一万亿美元。而半导体器件正是此工业的基础。另外，要更深入地了解电子学的相关课程，拥有半导体器件的最基本的知识是必要的，它也可以使你对现代这个由电子技术发展而来的信息时代有所贡献。,19802000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止,半导体工业的核心是什么？,从上图中可以得知：电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高，而在半导体工业中其核心

2、是集成电路（电集成、光集成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、半导体制造工艺的发展为基础的。,核心是：集成电路【Integrated Circuit：IC】通过一系列特定的平面制造工艺，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关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。半导体器件物理为其提供了基础知识，是半导体工业的发展平台。,IC的战略地位,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%。,据美国半导

3、体协会（SIA）预测,电子信息服务业 30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备 6-8万亿元,集成电路产值1万亿美元,GDP50万亿美元,2012年,中国IT企业与Intel公司利润的比较,同样，TI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。,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)；固体照明工程，对白炽灯进行高效节

4、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,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,微电子产业的战略重要性,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）,

5、是否回答你的疑问？,第1章 微电子产业概论,1.1 引言,硅片:制造集成电路的基本半导体材料是圆形硅单晶薄片，称为硅片（业界俗称晶圆片或晶圆-Silicon Wafer）。,芯片:在硅片制造厂，由硅片生产的半导体产品，称为芯片或微芯片(Chip)。,1.2 微电子产业发展史,真空电子管的发明,放大电子信号的真空三极管是由Lee De Forest于1906年发明的。真空三极管由三个部件构成，在一个抽空气体的玻璃容器中分别封入两个电极（阴极和屏极）和一个栅极。为了使部件不被烧毁，同时还要保证电子能够在电极间的传输，必须采用真空无线电通信、一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪初曾被用于将无

6、线电通信讯号从交流转换为直流。,半导体材料,从狭义上来讲：微电子工业中的半导体材料主要是指：锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）。从广义上来讲：半导体材料还包括各种氧化物半导体，有机半导体等。,常用半导体材料比较,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.Brattain。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。,第一个平面晶体三级管,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G.W.A.D

7、ummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以（德州仪器公司）TI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。Intle公司德诺宜斯（Robert Noyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。,Robert Noyce(Intel),Clair Kilby(TI),计算机的发展历史,第一台计算机1832The Babbage Difference Engine25,000个元件费用：7,470$,ENIAC-第一台电子计算机(1946),计算机的发展历史,Intel 4004 Micro-Processor,1971100

8、0 transistors1 MHz operation,计算机的发展历史,Intel Pentium(IV)microprocessor,体系架构：90纳米制程二级高速缓存：2MB三级高速缓存：无 主频速率：3.73 GHz时钟速度：3.73 GHz 前端总线：1066 MHz,计算机的发展历史,AMD的双核心Opteron处理器,计算机的发展历史,国产处理器中国大陆,龙芯一号（神州龙芯公司）,基于0.18微米CMOS工，32位微处理器。支持最新版本的Linux、VxWork，Windows CE等操作系统。可广泛应用于工业控制、信息家电、通讯、网络设备、PDA、网络终端、存储服务器、安全服

9、务器等产品上。,方舟科技的CPU,北大众志的CPU6,国产处理器中国大陆,中国台湾,VIA C3处理器,Rise Technology Rise mP6,其他优秀的处理器,嵌入式CPU是指应用于各种信息设备里的CPU，一般功能不太强、主要是以低价格、低功耗为特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU。高性能CPU是指应用于服务器和超级计算机中的高性能CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。,IBM PowerPC 604,SUN 0.13m UltraSPARC IV 内核,Moore 定律和等比例缩小,1965,Intel的创始人之一Gordon Moore在他的

10、论文“cramming more components onto integrated circuits”里预言：每18个月芯片集成度增加一倍。30年来这个预言基本正确，普遍认为这个定律可以适用到2010年。2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管。2010年达到每个芯片1,000,000,000个晶体管。,Moore定律：处理器集成度提高,Moore定律：存储器集成度的提高,器件按比例缩小原理,在1974年第九期的IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊上，Dennard提出了器件等比例缩小定律。基本思想：MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度

11、等横向尺寸和栅层厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，低了器件相对成本。这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加速的技术创新。,最初的器件等三种形式的器件等比例缩小。比例缩小要求电压也减小，这就带来了器件的不稳定性问题，为了解决此问题，提出了修改的器件等比例缩小。,器件按比例缩小原理,半导体工艺技术,很多重要的半导体技术其实是由多个以前发明的工艺技术延伸而来的。例如1798年就已经发明了图形曝光工艺，只是当初影像图形是从石片转移过来的

12、。将叙述各种首次被应用到半导体工艺或制作半导体器件而被研发出来的具有里程碑意义的技术。,具有里程碑意义的技术,1918年柴可拉斯基(Czochralski)发明了一种液态-固态单晶生长的技术（Cz法），至今仍广泛应用于大部分硅晶片晶体的生长。1925年布理吉曼(Bridgman)发明另一种技术，被大量用于砷化镓和一些化合物半导体的晶体生长。1952年魏可(Welker)发现砷化镓和其他的V族化合物也是半导体材料，相关这些化合物半导体的技术和器件才陆续被深入研究。,具有里程碑意义的技术,1955年菲克(Fick)提出了基本扩散理论。1957年安卓斯(Andrus)把古老的图形曝光技术应用在半导体

13、器件的制作上，利用一些感光而且抗刻蚀的聚合物(即光阻)来做图形的转移。图形曝光技术是半导体工业中的一个关键性的技术，图形曝光的成本就占了35以上。1957年弗洛区(Frosch)和德利克(Derrick)提出氧化物掩蔽层方式(oxide masking method)，发现氧化层可以阻止大部分杂质的扩散穿透。同年，雪弗塔(Sheftal)等人提出用化学气相淀积(CVD)外延生长技术。是在具有晶格结构的晶体表面上，生长出一层半导体晶体薄膜的技术，这种技术对改善器件特性或制造新颖结构器件而言非常重要。,1958年肖克莱(Shockley)提出了离子注入(ion implantation)技术来掺杂

14、半导体，这种技术可以精确地控制掺杂原子的数目。从此扩散和离子注入两种技术可以相辅相成，用来掺杂。1959年科比(Kilby)提出集成电路的雏型。它包含了一个BJT、三个电阻和一个电容，所有的器件都由锗做成，而且由接线相连成一个混合的电路。1959年诺依斯(Noyce)提出一个在单一半导体衬底上做成的集成电路。1960年由荷尼(Hoerni)提出平面(planar)工艺，整个半导体表面先生成一层氧化层，再用图形曝光刻浊工艺；将部分的氧化层移除，并留下一个窗口(window)，然后将杂质透过窗口掺杂到半导体表面后形成p-n结。1963年由万雷斯(Wanlass)和萨支唐(Sah)提出CMOS的观念

15、，CMOS优点是只有在逻辑状态转换时(如从0到1)才会产生大电流，而在稳定状态时只有极小的电流流过，所以功率耗损可以大幅度减少，对先进集成电路而言，CMOS技术是最主要的技术。,具有里程碑意义的技术,1967年丹纳(Dennard)发明了一项由两个器件组成的极重要的电路，即动态随机存储器(DRAM).存储单元器件包含了一个MOSFET和一个储存电荷的电容，其中MOSFET作为使电 容充电或放电的开关。应用在非便携式(non-portable)电子系统中的第一选择。1969年柯文(Kerwin)等人提出了多晶硅自对准栅极工艺，这个工艺不但改善了器件的可靠性，还降低了寄生电容。同年，门纳赛维(Ma

16、nasevit)和辛浦生(simpson)提出金属有机化学气相淀积技术(MOCVD)。对化合物半导体而言，这是二种非常重要的外延技术。1971年尔文(Irving)等人提出，利用CF4-O2的混合气体来到蚀硅晶片。当器件的尺寸变小，为了增加图形转移的可靠度，干法刻蚀(dry etching)技术取代了湿法腐蚀技术。同年，卓以和(Cho)提出了分子束外延(MBE)技术，可以近乎完美地控制原于的排列，所以也可以控制外延层组成和掺杂浓度，这项技术也带来了许多光器件和量子器件的发明。,具有里程碑意义的技术,1971年霍夫(Hoff)等人制造出来第一个微处理器(micro-processor)，将一个简

17、单电脑的中央处理单元(CPU)放在一个芯片上，这就是如图的四位微处理器(Intel 4004)，其芯片大小是3mm4mm，并且包含了2300个MOSFET.它是由p型沟道多晶硅栅极工艺做成，设计规范是8um。这是半导体工业上一个重大的突破。,具有里程碑意义的技术,1982年由朗(Rung)等人提出沟槽式绝缘技术，用以隔绝CMOS器件。目前这种方法几乎已取代了所有其他的绝缘技术。1989年达阀利(Davari)等人提出了化学机械抛光方法（CMP），以得到各层介电层的全面平坦化(global planarization)，这是多层金属布线的关键技术。1993年帕拉查克（Paraszczak）等人提

18、出在尺寸长度小到100nm时，以铜导线取代铝导线的想法。在亚微米器件中，电致迁移(electromigration)即当强电流通过导线时，使导线的金属离子迁移的情形。铜的抗电致迁移高且电阻率比铝低。,器件尺寸等比例缩小后，要求开发新的技术，工业界认为三个关键的技术是：沟槽式隔离（trench isolation）、化学机械抛光(chemical-mechanical polishing，CMP)和铜布线,具有里程碑意义的技术,1.3我国微电子产业的现状和前景,微电子技术是高科技和信息产业的核心技术，微电子产业是基础性产业，之所以发展得如此之快，除了技术本身对国民经济的巨大贡献之外，还与它极强的

19、渗透性有关。另外，现代战争将是以集成电路为关键技术，以电子战和信息战为特点的高技术战争。,国际微电子发展的趋势是集成电路的特征尺寸将继续缩小，集成电路(IC)将发展为系统芯片(SOC)。微电子技术和其他学科相结合将产生很多新的学科生长点，与其他产业结合成为经济增长点。芯片是信息时代最重要的基础产品之一，如果把石油比作传统工业血液的话，那么芯片则是信息时代IT产业的心脏和大脑。无论是小到日常生活的电视机、VCD机、洗衣机、移动电话、计算机等家用消费品，还是大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火箭、军舰等都离不开这小小的芯片。,我国在芯片领域可以用起了个大早、赶了个晚集来形容。早在1

20、965年，我国的集成电路就开始起步，而此时世界上最著名的芯片制造商英特尔还没有成立。由于体制等众多的原因，我国在这一领域与国外差距越来越大。从市场份额来看，2002年国产芯片年销售额为130.3亿元，占世界芯片产量的0.7%左右；从技术上看，总体上还有两代左右的差距。2002年，我国芯片自给率才25%，其他75%均需要进口，进口集成电路耗资33.6亿美元，特别是技术含量高的产品，基本上依靠进口。,芯片产业在我国可谓前景诱人，专家预测，2010年我国芯片总需求将达到500亿美元，成为全球最大的集成电路市场之一，到那时，每年进口集成电路将从现在的201亿块，上升到600亿块，相当于现有生产能力的2

21、0倍。如此巨大的市场使跨国公司纷纷将投资的触角伸向中国这一领域。如何抓住当前世界微电子产业发展的机遇，在世界范围内积极争取技术、资金和管理要素投入中国，成为当前我国有关部门十分关注的问题。,我国微电子行业存在的主要问题,第一，缺乏高标准、可持续发展的长远规划和措施，以及建立微电子产业群体的目标。第二，机制上不适应微电子产业自身发展的要求。我国微电子产业投资方式单一，投资和其他政策方面的决策太慢，使发展滞后。科研和产业脱节，而且产业投资和科研、开发投资严重不足。第三，缺乏系统的市场战略，国内市场被国外大公司瓜分。对于有战略意义而且量大面广的产品，如中央处理器(CPU)、存储器等关键芯片，虽然在技

22、术上有重大的突破，但市场开发没有给予足够的重视，自主研制开发的力量和资金投入还不够。整机设计开发与芯片厂脱节，产品不能配套生产。,第四，给予的优惠政策还远远不够。微电子产业的主要生产设备均要从国外进口，而且占投资的大部分，但进口设备的平均关税约8%，进口设备增值税=(进口设备合同价格+关税)增值税率，增值税率为17%，这样进口设备关税加增值税约28%，税率太高，不利于微电子产业的发展。第五，缺乏留住人才的政策，致使有用的人才流向国外或国内的外资企业。微电子产业是技术密集型产业，吸引人才、留住人才特别重要，像华越、华大、华虹等这样的国有背景微电子企业，还受到工资总额限制，很难给人才提高待遇，致使

23、很多人才流失。第六，微电子产业规模太小，没有大的企业集团，缺乏抗风险能力。2000年全球前四家半导体企业的销售额均超过100亿美元。去年英特尔公司达到了234亿美元，而我国整个国产芯片的总销售额也只有130亿元人民币，相距甚远,半导体芯片的制造框图,典型的半导体芯片的制造流程,半导体芯片制造的关键步骤,硅片制造工艺流程，光刻为核心,半导体工艺的构成（以硅为例）,提炼多晶硅,单晶硅生长,集成电路制造,封装（package）,从石英砂到多晶硅（poly crystalline silicon）,从多晶硅到单晶硅（single crystalline silicon），然后切成硅片（silicon

24、wafer）,在硅片上制作集成电路（integrated circuits）,对芯片实行保护和引脚加固,半导体工艺的构成（以硅为例）,集成电路制备流程（以硅片为例）,电阻分压器示意图。A图为电路图；B图为物理版图,集成电路制备流程（以硅片为例）,电阻集成电路的制造工艺流程,半导体制造企业,半导体制造企业可划分为2类：,设计/制造企业：许多企业都集合了芯片设计和芯片制造，从芯片的前端设计到后端加工都在企业内部完成。Intel、IBM、Motorola、Samsung、Hynix、Infineon、Philips、STmicroelectronics等。,代工企业：在芯片制造业中，有一类特殊的企业

25、，专门为其他芯片设计企业制造芯片，这类企业称为晶圆代工厂（foundry）。代工的出现是由于现代技术的飞速发展，越来越多的技术需要更加细致的分工，这样可以部分降低企业的成本或风险。比如显卡和主板，它的核心是图形处理器和芯片组，是由象nVIDIA、ATI，INTEL、AMD、VIA、SIS、ALI等一些顶级的芯片研发公司设计出来，然后委托给某些工厂加工成芯片和芯片组。,著名代工企业,台积电（TSMC）：如ATI和nVIDIA公司设计的图形处理芯片，或者VIA，SIS，ALI设计的主板南北桥芯片组基本都是由TSMC和UMC这两家公司负责生产。TSMC是由台湾“半导体教父”张忠谋先生创建。,台联电（

26、UMC）：1980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。,著名代工企业,中芯国际（SMIC）：中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号/射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器,硅基液晶和影像感测器等。,著名代工企业,上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期项目总投资为16.3亿美元，目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂A线(8吋线)已投入生产，预计2004年下半年月生产能力可达27,

27、000片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。,著名代工企业,和舰科技（HJTC）:和舰于2001年11月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰名中外的“人间天堂”-苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。,著名代工企业,测试,测试不同于设计过程中的验证；测试指工艺过程中或封装后进行的电学参数测量。硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。硅片测试的目的是检验可接受的电学性能。,装配和封装,装配和封装过程是取出性能良好的器件，将他们放入管壳，用引线将器件上的压点与管壳上的电极互相连接起来。封装为 芯片提供一种保护并将它

28、粘贴到更高级装配板上的措施。,封装形式,IC分类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 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低。金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高。双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS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。,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 Scal

29、e 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）,按集成电路规模分类,按电路功能分类,数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路。线性集成电路：又叫做放大

30、集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。数模混合集成电路(Digital-Analog IC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。,技术趋势,自从进入微电子时代之后，集成电路的最小线宽或最小特征尺寸(CD)以每年13%的速度缩小。在这一速度下，2010年时最小特征尺寸会缩小到50nm。器件微小化结果，可以降低每种电路功能的单位成本(unit cost)。例如，对持续推进的新一代的动态随机存储器而言，每个存储器位的成本每年就减少了一半，当器件的尺寸缩小时，本征开关时间(intrinsic switching time)也随之减少。器件

31、速度从1959年以来，加快了四个次方，变快的速度也扩展了集成电路的功能性产生速度(functional throughput rate)。未来数字集成电路可以以每秒一兆位的速率进行信息处理和数值分析。器件变的越小，其所消耗的功率也越少，所以器件微小化也可以降低每次开关操作所需要的能量。从1959年至今，每个数字栅极的能量耗损已经减少了超过100万倍。,DRAM的存储密度,从1978年动态随机存储器初次批量生产到1999年止，实际动态随机存储器的密度呈指数上升，每18个月密度就增加两，照这个速度下去，可以预期在2005年时，动态随机存储器的密度会达到80亿，2012年时则达640亿位。,微处理器

32、运算能力,微处理器运算能力随时间按指数增加，同样也是每18个月增加两倍的速率。目前一个奔腾(Pentium)系列的个人电脑和60年代晚期的超级电脑克菜一型(CRAYl)有相同的运算能力，但它的体积却为原先的千分之一；如果按这个趋势继续下去，我们预期100GIPS的微处理器将在2010年问世。,不同技术的市场成长曲线,在现代电子时代初期(1950-1970年)双极型晶体管是技术的驱动力；1970-1990年，因为个人电脑和先进电子系统的快速成长，动态随机存储器和以MOSFET为主的微处理器扮演了技术驱动力的角色；1990年以后，因便携式电子系统的快速成长，非挥发性半导体存储器成为技术的驱动力。,

33、技术节点（Technology Node）,微电子工业中常用“技术节点”和“特征尺寸”来表征集成电路的集成度，其含意可能包括“半节距”、“物理栅长”、“最小线宽”等术语。这些参数越小，芯片集成度越高。半节距（half pitch）是指集成电路中互连线间距的一半。特征尺寸一般是最小线宽和物理栅长的通称。由于最新的工艺技术通常最先用于DRAM芯片，因此技术节点往往是指DRAM的半节距。而物理栅长，最小线宽，特征尺寸等是技术节点的不同表达方式。,特征尺寸（Feature Size）,特征尺寸一般指半导体集成电路中的最小线宽，或者是MOS晶体管中的栅长。,近年来微处理器工艺的发展,现代半导体工业的发展趋势：特征尺寸减少和硅片直径增大,特征尺寸减小,运算速度更快,集成度越高,成本越低,硅片直径增大,更换设备费用高,成本越低,