微电子概论PPT1

1、微电子学概论微电子学概论唐 军 0351-本课程的学习目的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初步掌握半导体物理、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考试闭卷考试70%+平时30%（包括作业）参考书 微电子学概论. 张兴/黄如/刘晓彦. 北京大学出版社 半导体器件物理与工艺. 施敏. 苏州大学出版社讲授方式 以多媒体课堂教学为主；学习方法 学习方法比学习知识更加重要 广博与深入相结合 基础的一些知识一定要掌握 知识不是孤立的，融会贯通本课程的教学方法本课程

2、的主要课程内容 第一章 绪论 第二章 半导体物理和半导体器件物理基础 第三章集成电路制造工艺 第四章集成电路设计 第五章集成电路设计的CAD系统 第六章几类重要的特种微电子器件 第七章微机电系统 第八章微电子技术发展的规律和趋势第一章 绪论（微电子学常识）6微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路分立电路：分立电路：将电阻、电容等将电阻、电容等无源元件和无源元件和晶体管、二极管等晶体管、二极管等有源器件有源器件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能。在电路板上连接起来，实现一定的电路功能。不依靠外加电源可独立不依靠外加电源可独立表现其外特性的元件表现其外特性的元

3、件 集成电路：Integrated Circuit (IC) 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，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 通过一系列特定的加工工艺来集成 封装在一个外壳内 执行特定电路功能集成电路集成电路微电子学:研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科集成电路集成电路( (集成电路块集成电路块) )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数目（或上集成的元器件数目（或者门

4、的数目）者门的数目）内部电路内部电路硅单晶片与加工好的硅片硅单晶片与加工好的硅片硅片：硅片：waferwafer芯片：芯片：chipchip，diedie集成电路芯片的显微照片13 Vss poly 栅 Vdd 布线通道 参考孔 有源区 N+ P+ 1464M 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15 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 1 m m 1 1 m m( (晶体管的大小晶体管的大小) )30503050 m m( (皮肤细胞的大小皮肤细胞的大小) )9090年代生产的集成电路中晶体管

5、大小与人类头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发丝粗细、皮肤细胞大小的比较认识集成电路芯片19封装好的集成电路集成电路集成电路集成电路的内部电路集成电路的内部电路VddABOut引脚集成电路位置封装管壳引脚识别标记 微电子学是信息领域的重要基础学科，在信息领域中，微电子学是研究并实现信息获取、传输、储存、处理和输出的科学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石。其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。 微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容； 涉及了固体物理学、量子力学、热力学、统

6、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、化学等多个领域。 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的发展方向。 信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和储存海量的多媒体信息、以及高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用的信息显示出来或用于控制。 超高容量、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境的追求目标，是微电子技术迅速发展的动力。 微电子学的参透性及其，它可以与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如它与机械、光学的结合导致了微机电系统（MEMS）的出现，他与生物科学结合诞生了生

7、物芯片。 MEMS和生物芯片都是近年来发展起来的具有极其广阔应用前景的新技术。微电子是信息社会发展的基石集成电路的作用微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对国家安全与国防建设的作用 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。 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（ Electronic Numerical

8、Integrator Electronic Numerical Integrator and Calculatorand Calculator ）1.2.1 微电子是信息社会发展的基石第一台通用电子计算机：第一台通用电子计算机： 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个电子管组成个电子管组成大小：长大小：长24m24m，宽，宽6m6m，高，高2.5m2.5m速度：速度：50005000次次/sec/sec； 重量：重量：3030吨；吨；功率：功率：140KW140KW；平均无故障运行时间：平均无故障运行时间：7min7min1.2.1 微电子是信息社会发展的基石1946，美国莫尔学院18000真空管150m2, 30吨，140kW7000次/s7分国宝级300倍缩小100万倍缩小3000万倍缩小140万倍快10万倍长70万倍没有办法比世界最初的电子管计算机ENIAC(左）与IC CPU 的比较开发时间器件数尺寸重量功耗

10、运算速度寿命价格1996，Intel5500万晶体管150mm2, 0.1克0.1 W10亿次/s10年100元1.2.1 微电子是信息社会发展的基石 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就够了。 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1.2.2 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?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1.2.2 集成电路的作用据美国半导体协会（据美国半导体协会（SIASIA）预测）预测集成电路产值集成电路产值1

11、万亿美元万亿美元GDP50万亿美元万亿美元1.2.2 集成电路的作用世界世界GDPGDP增长与世界集成电路产业增长情况比较增长与世界集成电路产业增长情况比较 ?抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长1.2.2 集成电路的作用?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 REI3RGDP1.2.2 集成电路的作用 根据 IMF (International Monetary Fund ) RIC1.7RE

12、I REI3RGNP15%9%3%From S.M.SZE1.2.2 集成电路的作用1985-1990年间世界半导体商品市场份额年间世界半导体商品市场份额日本公司日本公司美国公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均人均IC产值年增长率产值年增长率 人均电子工业年增长率人均电子工业年增长率 人均人均GNP年增长率年增长率 日本日本美国美国 日本日本美国美国 日本日本美国美国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

13、新。两个例子两个例子1.2.2 集成电路的作用1990199219941996199820001416182022242628303234363840 日 本 美 国 欧 洲 亚 洲市场变化市场变化日本市场缩减日本市场缩减市场份额9090年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降1.2.2 集成电路的作用我国台湾地区我国台湾地区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年为年为267267

14、美元）美元）70-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业90年代年代IT业高速发展业高速发展97年人均年人均GDP=13559美元美元1.2.2 集成电路的作用?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附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位决定着在国际经济分工中的地位!1.2.2 集成电路的作用 销销售售额额 利利润润 利利润润率率 Intel公公司司 294亿亿美美元元 73亿亿 美美元元 24.8% 我我国国一一家家以以计计算算机机销销售售生生产产为为主主的的IT企企业业

15、 200亿亿人人民民币币 5亿亿 人人民民币币 2.5% 我我国国的的VCD产产业业 2% 我国我国ITIT企业与企业与IntelIntel公司利润的比较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。 如果我们不发展集成电路产业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

16、平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。1.2.2 集成电路的作用?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)1.2.3 微电子对传统产业的渗透与带动作用数控机床数控

17、机床普通机床普通机床数字化技术改造数字化技术改造价格相差价格相差10倍倍?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 集成集成电路电路整机系统整机系统高附加值高附加值在成长期进入在成长期进入市场，增强市市场，增强市场竞争力场竞争力1.2.3 微电子对传统产业的渗透与带动作用没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能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形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷1汽车汽车530计算机计算机100020001.2.3 微电子

18、对传统产业的渗透与带动作用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 !”1.2.3 微电子对传统产业的渗透与带动作用20202020年世界最大的年世界最大的3030个市场领域：个市场领域： 其中与微电子相关的其中与微电子相关的2222个市场：个市场：5 5万亿美元

19、（万亿美元（Nikkei Business 1999Nikkei Business 1999）1.2.3 微电子对传统产业的渗透与带动作用市场市场 销售额销售额 （10 亿美元）亿美元） 市场市场 销售额销售额 （10 亿美元）亿美元） 手提数据通讯手提数据通讯* 630 超薄显示器超薄显示器* 170 个人电脑个人电脑* 470 IC 卡卡* 165 移动电话服务移动电话服务* 380 地面微波广播地面微波广播* 160 CPU* 300 DNA 生物芯片生物芯片 160 数据存储产品数据存储产品* 270 多用途通讯设备多用途通讯设备* 155 磁存储磁存储* 250 半导体设备半导体设备

20、* 150 电子商务电子商务* 250 电力交通工具电力交通工具 150 网络信息服务网络信息服务* 230 墙壁式超薄电视墙壁式超薄电视* 145 高密度磁存储高密度磁存储* 230 移动电话移动电话* 140 系统集成芯片系统集成芯片* 210 直接引入直接引入工具工具 140 家庭医疗设备家庭医疗设备* 210 ITS 设备设备 140 互联网互联网* 200 DNA 加工食品加工食品 135 有线电视有线电视* 200 液晶显示器液晶显示器* 120 智能传输系统智能传输系统 190 仿制品仿制品 115 代理软件代理软件* 180 燃油汽车燃油汽车 110 1.2.4 微电子对国家安

21、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元，电子战、信息战各类武器装备经费预算中的电子含量各类武器装备经费预算中的电子含量*(*(单位：单位：% %) ) 19931993 19941994 19951995 19961996 19971997 19981998 19991999 20002000 20012001 飞机飞机 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 导弹导弹 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 空间空间 5959 57.657.6 58.858.8 58.958.9 58.858.8 6060 60.960.9 61.661.6 61.961.9 舰船舰船 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 各种炮和武各种炮和武器器 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 车辆车辆 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 国防预算中国防预算中的电子含量的电子含量 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 微电子科学技术的发展历史 晶体管的发明 集成电路的发展历史 微电子发展的规律 我国微电子发展概况19471947年年1212月月2323

24、日日第一个晶体管第一个晶体管NPN GeNPN Ge晶体管晶体管 W. SchokleyW. Schokley J. Bardeen J. Bardeen W. Brattain W. Brattain1.3.1 晶体管的发明u晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。u严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。u晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等的发明相提并论。晶体管实际上是

25、所有现代电器的关键活动元件。晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。1.3.1 晶体管的发明u 电子管电子管，是一种最早期的电信号放大器件，是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。u 利用电场对真空中的控制栅极注入电子调利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈制信号，并在阳极获得对信

26、号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。振荡后的不同参数信号数据。u 早期应用于电视机、收音机扩音机等电子早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代放大器和集成电路取代. .同同电子管电子管相比，晶体管具有诸多优越性相比，晶体管具有诸多优越性：l构件没有消耗构件没有消耗: :无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。随着技术的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍。l消耗电能极少：消耗电能极少：仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶

27、体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。l不需预热：不需预热：晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。l结实可靠：结实可靠：比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。1.3.1 晶体管的发明19581958年第一块集年第一块集成电路：

28、成电路：TITI公司的公司的KilbyKilby，1212个器件，个器件，GeGe晶晶片片1.3.2 集成电路的发展历史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DRAM 1971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1.3.2 集成电路的发展历史1.3.2 集成

29、电路的发展历史8088Intel 38619711971年第一个年第一个微处理器微处理器4004400420002000多个晶体管多个晶体管10m10m的的PMOSPMOS工艺工艺19821982年年286286微处理器微处理器13.413.4万个晶体管万个晶体管频率频率6MHz6MHz、8MHz8MHz、10MHz10MHz和和12.512.5MHzMHz404440441.3.2 集成电路的发展历史19891989年年4 4月月2525到到50 MHz50 MHz1-0.81-0.8m m 32 Bit32 Bit 120 120万晶体管万晶体管Intel 486Pentium199319

30、93年年3 3月月 32 Bit32 Bit 310 310万晶体管万晶体管 6060到到166 MHz166 MHz 0.8 0.8m m1.3.2 集成电路的发展历史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 集成电路的发展历史19991999年年2 2月，英特尔推出月，英特尔推出Pentium III

31、Pentium III处理器，整处理器，整合合950950万个晶体管，万个晶体管，0.25m0.25m工艺制造工艺制造20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4处理器，其整合处理器，其整合55005500万个晶体管，采用万个晶体管，采用0.13m0.13m工艺生产工艺生产 20022002年年8 8月月1313日，英特尔开始日，英特尔开始90nm90nm制程的突破，业制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；内首次在生产中采用应变硅；20052005年顺利过渡到了年顺利过渡到了65nm65nm工艺。工艺。1.3.2 集成电路的发展历史 20072007年英特尔

32、推出年英特尔推出45nm45nm正式量正式量产工艺，产工艺，45nm45nm技术是全新的技术，技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再服役可以让摩尔定律至少再服役1010年年。1.3.2 集成电路的发展历史多核微处理器多核微处理器1.3.2 集成电路的发展历史 AMDAMD四核四核“Barcelona”Barcelona”处理器处理器 采用采用300mm300mm晶圆，晶圆， 4545纳米技术制造纳米技术制造1.3.2 集成电路的发展历史发布英特尔酷睿i7处理器含30亿晶体管的GF110核心n2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔酷睿2四

33、核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。 n2010年11月，NVIDIA发布全新的GF110核心，含30亿个晶体管，采用先进的40纳米工艺制造。 n2011年05月05 日：英特尔成功开发世界首个3D晶体管，称为tri-Gate。n除了英特尔将3D晶体管应用于22纳米工艺之后，三星，GlobalFoundries，台积电和台联电都计划将类似于Intel的3D晶体管技术应用到14纳米节点上。1.3.2 集成电路的发展历史解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM

34、卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片1.3.2 集成电路的发展历史微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOut1.3.2 集成电路的发展历史PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片1.3.2 集成电路的发展历史深亚微米、超深亚微米级工艺深亚微米、

35、超深亚微米级工艺基于基于IPIP复用复用主流主流CADCAD：软硬件协同设计：软硬件协同设计1.3.2 集成电路的发展历史集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片 SOCSOC与与ICIC的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的一的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。场革命。 SOCSOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软件（特别是芯片上的操作系统软件（特别是芯片上的操作系统- -嵌入式的操作系统）、嵌入式的操作系统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个

36、芯片上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统行单个芯片上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统行为级开始自顶向下（为级开始自顶向下（Top-DownTop-Down）。）。1.3.2 集成电路的发展历史SOCSOC主要三个关键支持技术主要三个关键支持技术 软、硬件的协同设计技术软、硬件的协同设计技术 面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（Functional Partition Functional Partition TheoryTheory）。硬件和软件更加紧密结合不仅是）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOCSOC的重要特点，也是的重要特点，也是2

37、121世纪世纪ITIT业发展的一大趋势。业发展的一大趋势。 IPIP模块库的复用技术模块库的复用技术 IPIP模块有三种：模块有三种： 软核软核-主要是功能描述；主要是功能描述； 固核固核-主要为结构设计；主要为结构设计； 硬核硬核-基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证的。其中基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。以硬核使用价值最高。CMOSCMOS的的CPUCPU、DRAMDRAM、SRAMSRAM、E2PROME2PROM和快闪存储器以及和快闪存储器以及A/DA/D、D/AD/A等都可以成为硬核。等都可以成为硬核。 模块界面间的综合分析技术模块

38、界面间的综合分析技术 主要包括主要包括IPIP模块间的胶联逻辑技术和模块间的胶联逻辑技术和IPIP模块综合分析及其实现技术等。模块综合分析及其实现技术等。1.3.2 集成电路的发展历史MEMSMEMS技术和生物信息技术将成为下一代半导体技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术主流技术 MEMSMEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，MEMSMEMS是指集是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路微型传感器、微型执行器、信号处理和

39、控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。、通信系统以及电源于一体的微机电系统。 微电子与生物技术紧密结合的以微电子与生物技术紧密结合的以DNADNA芯片等为代表的生物工芯片等为代表的生物工程芯片将是程芯片将是2121世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。点。 采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达10-2010-20万种万种DNADNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检测基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病治或

40、发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。 1.3.2 集成电路的发展历史1.3.2 集成电路的发展历史1.3.2 集成电路的发展历史1.3.2 集成电路的发展历史? 不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力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集成电路芯片的集成度每三年提高4 4倍，而加工特征倍，而加工特征尺寸缩小尺寸缩小 倍，这就是倍，这就是摩尔定律摩尔定律（由（由IntelIntel创始人创始人Gordan MooreGordan Moore提出）提出）

41、21.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律微电子技术发展的ROADMAP1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律微处理器的性能微处理器的性能100 G100 G10 G10 GGigaGiga100 M100 M10 M10 MMegaMegaKiloKilo 1970 1980 1990 2000 2010 1970 1980 1990 2000 20101.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律集成电路技术是近集成电路技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术微电子技术的进步微电子技

42、术的进步From S.M.SZE 年份年份 特征参数特征参数 1959 1970-1971 2000 比率比率 设计规则设计规则 m 25 8 0.18 140 电源电压电源电压VDD(伏）伏） 5 5 1.5 3 硅片直径尺寸硅片直径尺寸（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 微处理器时钟频微处理器时钟频率率(Hz) 750K 1G 103 平均晶体管价格平均晶体管价格$ 10 0.3 10-6 107 集成电路发展规划集成电路发展规划年份 1997 1999 2001 2003 2006 20

43、09 2012最小线宽 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每片晶体管 11 21 40 76 200 520 1400数（M）芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750(平方毫米） 频率 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000(兆赫） 金属化层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9最低供电 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电压（v） 最大晶圆 200

44、300 300 300 300 450 450直径（mm）1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律Moores Law Moores Law 的失效的失效 在100纳米以上，不存在紫外线光刻的限制，到100纳米以下紫外线的波长将超过最小的晶体管外形尺寸。(Intel)用 “远紫外线”或氙光的波长缩小到10纳米，或(IBM)用X射线产生5纳米的光波。朗讯正在研究的电子束刻蚀技术，这些都说明晶体管外形尺寸缩小的限制目前还不是一种障碍。 IBM的锗硅技术是在硅晶体中的某些位置植入锗原子，做成微芯片基，这种掺杂锗的片基比现有二氧化硅的片基的导电性更好，可以减少畸变和电流泄漏，并使晶体管

45、外形尺寸缩小到50纳米，这样芯片的时钟频率可高达50GHz，将比奔腾III450快100倍。所以集成系统的速度限制也还没有到来。 此外，市场的限制。由于高速网、多媒体通信和电视点播的迅速发展，更快的速度和更高的性能目前对用户绝非多余。 1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律Moores Law Moores Law 的失效的失效 相反，对摩尔定律的实际限制还是在测试和投资：一是芯片的复杂性加深，已经使得全面地测试其性能成为不可能了，芯片制造商只能依赖统计分析的方法进行测试，这种测试一方面因为测试软件的Bug不可避免，另一方面是测试软件开发的速度赶不上芯片发展的速度，到2012

46、年时，芯片生产的合格率会从目前的90下降到52，到那时，测试芯片的费用比制造芯片的费用还高。 虽然制造芯片 (按每个晶体管或每单位性能计算) 的成本在不断下降，但由于片上晶体管的数量按指数在增加，使得一条生产线的费用高达20亿美元，若尺寸下降到100纳米以下，产家的投资会高达100亿美元，这比建一座核电站的费用还高，这时，问题就不是芯片的尺寸是否可以缩小，而是谁投得起如此高昂的资金？ 1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律集成电路市场和产业结构的发展规律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1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电

47、子发展的规律3030多年来，集成电路市场指数发展规律多年来，集成电路市场指数发展规律市场及其发展规律1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 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。1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 第一个周期(1975-1984，CAGR=20.4%): 电脑和消费类电子; 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；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; 产值3000亿美元1.

48、3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律1998-2003年世界及四大市场年世界及四大市场IC增长率和份额统计表增长率和份额统计表市场增长率市场增长率亚太地区第一亚太地区第一市场份额市场份额亚太地区仅次于美国亚太地区仅次于美国1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 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-Di

49、gital Signal Processor) 将进一步促进IC市场的发展1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 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108 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1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 集成电路设计滞后现象0.010.1110

50、1980198519901995200020052010微米微米芯片复杂度芯片复杂度栅长栅长58%/年年20%/人年人年设计产率设计产率差距增大差距增大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集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率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

51、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1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律随技术进步，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 (International Business Machines)与UMC（台湾联华电子公司）的联合将更多业务交给Foundry，降低成本Motorola 2001年以后，将有50%以上的产品需从外部提供日本Kawasaki（川崎）公司取消他们计划建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作1

52、.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律Foundry功能要求功能要求行为级行为级多工艺模块多工艺模块 p、DSP、E2PROM & Flash、A/D、D/AWafer级级封装后封装后成品级成品级逻辑级逻辑级版图级版图级MASK研究开发支持研究开发支持 Foundry Foundry建设建设FoundryFoundry的建设必须采用系统工程的方法的建设必须采用系统工程的方法基本特征：基本特征：1.3.3 1.3.3 微电子发展的规律微电子发展的规律 2000年年Foundry业务地区分布业务地区分布Foundry类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例因此美国著名的预测与咨询公司因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest： 未来属于未来属于Foundry1.3.4 我国微电子学的历史1956年5所学校在北大联合创建半导体专业北京大学、复旦大学、厦门大学、南京大学1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业1.3.4 我国微电子学的历史我国IC骨干企业地区分布及销售情况1.3.4 我国微电子学的历史上海IC产业发展战略目标 到到2010年总投资量年总投资量600亿美元，建成亿美元，建成20 40条条生产线，生