微电子制造概论-第1章-绪论

微电子学概论第一章绪论1参考书《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，科学出版社2本课程的目的什么是微电子和微电子制造是什么对微电子的发展历史、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、MEMS技术等基本概念，对微电子设计和制造的整体有一个比较全面的认识3主要内容微电子技术简介半导体物理和器件物理基础大规模集成电路基础集成电路制造工艺集成电路设计几类重要的特种微电子器件微机电系统微电子技术发展的规律和趋势

4第一章

绪论5绪论什么是微电子学晶体管的发明集成电路的发展历史集成电路的分类微电子学的特点6电子学微电子学7微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路8集成电路：IntegratedCircuit，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9封装好的集成电路10集成电路集成电路的内部电路VddABOut11

硅单晶片与加工好的硅片12集成电路芯片的显微照片1364MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管14集成电路的内部单元15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16

50m100m头发丝粗细

30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(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17集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求18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From吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Singoff—设计业—19—制造业—芯片制造过程

由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA20封装好的集成电路—封装与测试业—21微电子科学技术的战略地位22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23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：ENIAC24第一台通用电子计算机：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000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：7min25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1~2元电子产品10元国民经济产值100元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）

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GDP≈50万亿美元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

RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP30根据IMFRIC≈1.7REIREI≈3RGNP15%9%3%FromS.M.SZE31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321985-1990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市场变化—日本市场缩减—市场份额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GDP—200-300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

数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力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!”442020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（NikkeiBusiness1999）微电子产业的战略重要性45微电子科学技术的

发展历史461947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖471958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48微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS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49第一个CPU：400450PentiumIIICPU芯片51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52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GordonE.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ROADMAP53微处理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002010导入期Moore’s

Law成熟期54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FromS.M.SZE55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5630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57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。58第一个周期(1975-1984，CAGR=20.4%):电脑和消费类电子;4和5;产值在几百亿美元国防工业、工作站、大型第二个周期(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591998-2003年世界及四大市场IC增长率和份额统计/预测表市场增长率亚太地区第一市场份额亚太地区仅次于美国6021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-DigitalSignalProcessor)61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62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(IDM—IntegratedDeviceManufactoryCo.),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63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FablessCo.和Foundry的出现。IP模块和ChiplessCo.出现~19801980~1990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IC(IDM)制造商通用电路制造商64集成电路设计滞后现象0.010.11101980198519901995200020052010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65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FablessCo.和Foundry的出现。IP模块和ChiplessCo.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IC(IDM)制造商通用电路制造商IP：知识产权(IntellectualProperty)~19801980~199066Foundry功能要求行为级多工艺模块p、DSP、E2PROM&Flash、A/D、D/AWafer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：67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682000年Foundry业务地区分布（SemicoResearchCorp.,2-2000,counrtesyofAmkorWaferFabricationServices）69Foundry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Foundry70我国微电子

发展概况71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、东北人民大学、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72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80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业73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74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75我国年微电子发展展望北京10~20条集成电路生产线零地租政府跟进投资天津深圳76微电子：电子信息产业的核心和基础我国微电子产业进入高速发展时期亿元年中国集成电路产业的累计投资额数据来源：徐小田77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78集成电路分类79集成电路分类集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域80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(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8182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(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）8384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GordonE.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ROADMAP85按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路86按电路功能分类数字集成电路(DigitalIC)：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(AnalogIC)：它是指