1、 半导体工艺技术半导体工艺技术 中国半导体工业的发展中国半导体工业的发展 微电子技术发展微电子技术发展第一章、半导体器件与工艺技术的发展2推动半导体业进步的两个轮子：工艺尺寸缩小和硅片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。超大规模集成电路的设计和制造所需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势：提高芯片性能 提高芯片可靠性 降低芯片成本一、半导体工艺技术的发展一、半导体工艺技术的发展 1.1 趋势1：提高芯片性能从20世纪60年代早期，小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性能已得到了巨大的提高。判断芯片性能的
2、一种通用方法是速度。器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片的速度就会越快。这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。提高速度的另一方法：使用材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输。 关键尺寸关键尺寸 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。 描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。 自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪50年代初期以大约125um的CD开始，目前主流是45nm或者更小，可以量产的最小CD已达到28nm。 半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术
3、节点如下表所示。 观察近期的报道，2013年应该进入14纳米节点，而且仍是英特尔挑起大樑。尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩，但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么? -传统的光刻技术与日俱进当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的两次或多次图形曝光技术。提高光刻的分辨率有三个途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径NA以及减少工艺参数。显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等，实际上达到了28nm，几乎已是极限。光刻技术光刻技术因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术(DP)
4、，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。何时能够到7nm或5nm？截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。乐观的估计可能在2015年或2016年。如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到5nm。但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片;而ASML阿斯麦（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾）,总部设在荷兰,全球最大的半导体设备制造商之一，ASML的股票分别在阿姆斯特丹及纽约上市。ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快NXE3300
5、B实用机型的设备在客户处使用，累积产出硅片已达44000片。另外，下一代EUV设备NXE3300B已开始安装调试，计划2013年供货。ASML2013年描绘了业界期待已久的EUV光源路线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片，并计划在2014年时NXE3300B中的光源升级达到50W，相当于43WPH（wafers per hour)水平。而100W光源可能要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现250WEUV光源，至少目前无法预测。500W光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。只要实现73
6、WPH，可以认为EUVL已达到量产水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。在10nm节点以下如果继续釆用多次曝光技术，则可能需要4x甚至8x的图形成像技术。元件芯片的特征尺寸减小，在硅片上制作元件的数量就更多。对于微处理器，通过减小芯片CD，增加芯片的集成度，提高芯片表面的晶体管数量，由于芯片上的晶体管数连年急剧增加，芯片性能也已提高（见图）。 每块芯片上的元件数每块芯片上的元件数 摩尔定律摩尔定律 1964年，戈登摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始人，预言在单位芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。 功耗功耗 芯片性能的另一重要
7、参数是功耗。真空管功耗很大，而半导体器件确实功耗很小。随着器件的微型化，功耗相应减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却逐步降低（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长的一个关键性能参数。 Intels CPUYear of introduction Transistors4004 1971 2,2508008 1972 2,5008080 1974 5,0008086 1978 29,000286 1982 120,000386 processor 1985 275,000486 DX processor 1989 1,180,000Pentium processor 1993 3
8、,100,000Pentium II processor 1997 7,500,000Pentium III processor 199924,000,000Pentium 4 processor 200042,000,000vIntel 公司公司CPU芯片集成度的发展芯片集成度的发展 1.2. 趋势2：提高芯片可靠性 芯片可靠性就是致力于使可靠性趋于芯片寿命的功能的能力。 技术上的进步已经提高了芯片产品得可靠性（见下图）。 例如，通过无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂纯度，来控制沾污。 为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺，减少污染的时间和空间。 通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的
9、性能。这样可变成在工作过程中低失效的产品。 1.3 趋势3：降低芯片成本 半导体微芯片的价格一直持续下降（见下图）。1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、或一个等量的其他元件以及必要的互连以便做成一个有用的芯片。等等。价格降低的两个原因：1. CD不断缩小，一片硅片可生产更多的芯片。2. 市场需求增大，形成规模经济。二、中国半导体产业发展 1947年，美国贝尔实验室发明了点接触式晶体管。 1956年中国提出“向科学进军”，国家制订了“十二年科学技术发
10、展远景规划”，提出中国也要发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一，明确了目标。中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。1962年砷化镓(GaAs)单晶，后来也研究开发了其它化合物半导体。黄昆谢希德林兰英 1957我国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管。 为了加强半导体的研究，中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所。1962年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在19
11、63年搞出了硅平面型晶体管。1964年搞出了硅外延平面型晶体管。 1、半导体器件在平面管之前不久，也搞过锗和和硅的台面扩散管，但一硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。 半导体所属工厂后改建为微电子中心，所生产的开关管，供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机。 随后在北京有线电厂等工厂批量生产了DJS-121型锗晶体管计算机，速度达到1万次以上。后来还研制出速度更快的108机，以及速度达28万次、容量更大的DJS-320型中型计算机，该机采用硅开关管。 在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半
12、导体集成电路。中国第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的？ 1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管DD晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，上海元件五厂鉴定了DTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。这标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。2、半导体集成电路3、我国半导体我国半导体工业工业 我国半导体产业起步于1950年代。1965年，我国已自主研制成第一块硅数字集成电路，仅比美国日本晚了几年，而且势头不亚于同处于半导体发展初期的美国。
13、在外部封锁条件下，我国半导体产业，按照军工主导、科研创新带动模式，形成了自己的一套产业体系。国家曾组织三次全国规模的大规模集成电路（LSI）大会战，以逻辑电路、数字电路为主，主要为计算机配套，开发出了自己的109、130、220、370计算机系列。而且自主开发出配套的设备、仪器、原料，形成了生产能力。 随后的“文化大革命”耽误了10年。我们搞“文革”的10年，正是美国在半导体制造技术获得全面突破和进入大规模生产阶段，日本半导体产业崛起的时期。3 1978年，无锡742厂（今华晶厂）投资2.8亿，从日本东芝引进全套彩电用线性集成电路生产线（5微米技术），1982年起投产，1985年国家验收通过。
14、华晶的全套引进在当时是比较成功的项目。1983年改革开放以来，面对国外巨大的技术优势，我国半导体发展模式经历了重大转型。分散引进，分散引进，3333条条生产线成效甚微生产线成效甚微“文革”结束后的1980年代初，努力追赶国际水平。中国科学院北京、上海两个半导体研究所，于79年试制成功4K存储器，1980年就做出16K，1985年做出了64K存储器。但是，在巨大的进口潮冲击下，1980年代后期停止了在通用电路方面的追赶（256K存储器的研发计划被搁置），转而走技术引进的路子。1984年是我国的“引进年”。大量引进汽车、彩电、冰箱生产线，同时各科研、制造单位和大专院校，大量引进半导体器件生产线。从
15、1984年到“七五”末期，先后共引进33条集成电路生产线共花费外汇1.5亿美元。但是，由于当时“巴黎统筹委员会”的禁运政策（巴统1949年11月在美国的提议下秘密成立，17个国家，其宗旨是执行对社会主义国家的禁运政策。禁运产品有三大类：军事武器装备、尖端技术产品和战略产品）。引进设备基本上是已经淘汰的，达不到设计能力，只有1/3可以开动。而且，企业急功近利，只讲生产不重消化，缺乏消化吸收方案，也缺乏资金保障。这33条线绝大多数没有发挥作用。“908”项目：从决策到投产用了项目：从决策到投产用了7年年1990年8月，国家决定投资20亿人民币，上马“908工程”。包括一条6英寸生产线（在华晶厂），
16、一个后封装企业，10个设计公司，还有6个设备项目。“908”工程是指国家发展微电子产业20世纪90年代第八个五年计划.“908工程” 吸取了“33条线”教训，强调了集中投资。但是，在实际上马过程中，仅仅立项就用了4年（1994年立项才获批准），突出暴露了我国决策机制之迟缓，不能适应高科技产业快节奏发展的弊病，最后还是引进一条二手的6英寸生产线。直到1997年左右才建成。新加坡的CHATER公司也是1990年开始引进生产线，两年建成，三年投产，到今天已经成为国际著名半导体公司。我们从立项到建成投产，用了几乎7年时间，投产之日即是技术落后之时。技术已经前进了几代。“909”的成功，的成功，增强了我
17、国半导体产业界的增强了我国半导体产业界的自信自信20多年来，我国半导体领域从争相引进、无所建树，“909”项目，可以说是到目前为止，我国由国家主导的半导体制造项目中最成功的一个。该项目1995年立项，共投资100亿人民币，其主体是一条8英寸，0.35微米的生产线（华虹NEC），其设备的先进性达到同期国际水平；另外还有若干集成电路设计公司。1997年开工建设，按照国际标准，18个月即建成，1999年底试投产。“909”是在吸取了历史教训基础上，由国家集中组织，一次性大规模投资取得的成果。“909”引进了国际当今主流技术和装备，具有资产控制能力，为培养自己的队伍创造了极好的平台。正是“909”的成
18、功，为上海和华东地区形成新兴半导体产业群落带来了大好契机。半导体半导体设备长期被外国卡脖子设备长期被外国卡脖子半导体产品平均3年更新一代，加工技术也随之升级，所以，半导体支撑产业制造设备、测试仪器和原材料是产业升级的关键，其中设备更是产业的要害和咽喉。掌握了制造设备的创新能力才算到达了行业的制高点。在国际半导体界，关键设备的研制能力完全被美日欧洲企业所控制。韩、台、新加坡尽管芯片制造能力（主要是工艺）很强，但也没有开发关键设备的能力，基本依赖进口。当前，鉴于设备投资已达天文数字、并且还在按几何级数递增，国际半导体界开始走联合研制的道路（如SEMATECH，IMEC），但我国在制造技术方面还是“
19、小学”水平，故没有真正进入这些国际组织。长期以来，我们在半导体领域的引进，受到来自西方的严格封锁、限制或遏制。“巴统”对我禁运清单中，先进半导体制造设备一向列在首位。西方对我国半导体技术的出口实行严格限制和封锁，力图对我国保持2-3代的技术优势。外国人在电子信息方面，对我们实行“围而不歼”。我们没有掌握的技术，他们不卖，但一旦我国自己研制出来，外国马上通知，这种产品和技术可以卖给我们，以抢占市场，这种例子20年来来举不胜举：1981年前，在集成电路关键设备方面对我国禁运。1981年，我国接近/接触式光刻机在国内通过鉴定，1982年美国即向我出售接近/接触式光刻机。1984年，我们研制出图形发生
20、器，同年美国GCA出售3696机给中国。6 1985年，清华、电子部某所鉴定投影光刻机，同年美国放宽这类设备的禁运。 1985年4月，700厂平板等离子刻蚀通过鉴定，85年下半年等离子干法刻蚀开禁。1986年，我国64K DRAM研制成功，美国同年10月对华出口放松3微米技术。当时我国未掌握2微米技术设备和4英寸硅片3微米的整条生产线，谈判持续8年未放行。自主研发与禁运自主研发与禁运我国电子信息市场需求和制造业，从90年代以来持续快速扩张，尤其是计算机、电信、互联网在城市中呈爆炸性的增长。近10年中，我国电话普及率从4%左右扩张到20%；移动电话从80年代的空白到2001年的1亿用户。但是，我
21、国的电子信息产品制造业，基本上还停留在低附加值的装配业水准上。其原因，是电子产品的核心部件半导体芯片，自己无力满足。面对跨国公司对半导体设备的垄断，和国内产业界对外国设备的依赖， 许多企业掉进“引进陷阱”，无法形成良性循环。综合科技水平，比西方落后15-20年，甚至更大。需求与需求与技术技术我国的集成电路生产企业，只要质量过关，能饱满生产，利润率也在20%左右。但是，被看好的国产手机生产行业，2000年国内11个厂，只有两个企业赢利，原因就在于芯片依靠进口，被人家卡了脖子，芯片和软件进口成本已接近进口整机成本。现大量用的各种IC卡，当我们不会做时，进口一个卡5元，后来我们会做了，老外降到3元，
22、现在大批量供应，他只好降2元，我国微电子领域这种状况，使我国的经济建设和国防建设的基础“建在外国的领地上”，严重受制于西方国家和跨国公司。为什么半导体工业会有那么大的推动力？原因在什么地方？传统的工业中大部分材料在两个9到4个9的纯度。可一说到半导体，要8到9个9的纯度。半导体工业，需要高纯、低缺陷、耐腐蚀等材料，这个工艺是代表了一个国家的工业技术水平。半导体工业制造的基础提高了，则整个工业基础提高了。因此，这也能解释了为什么中国原子弹、氢弹能搞成功，卫星能上天，而集成电路不能很快突破。原因就是它是工业化基础的量产化产业。发展半导体工业，一定跟你的技术、资金、人才相关。技术要求高，投入大。4、
23、为什么我们做不好半导体中国中国IC产业分布图产业分布图 中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司 上海华虹上海华虹(集团集团)有限公司有限公司 华润微电子华润微电子(控股控股)有限公司有限公司 无锡海力士意法半导体有限公司无锡海力士意法半导体有限公司 和舰科技和舰科技(苏州苏州)有限公司有限公司 首钢日电电子有限公司首钢日电电子有限公司 上海先进半导体制造有限公司上海先进半导体制造有限公司 台积电台积电(上海上海)有限公司有限公司 上海宏力半导体制造有限公司上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司吉林华微电子股份有限公司 近年中国集成电路与分立器件制造主要企业是：近
24、年中国集成电路与分立器件制造主要企业是： 飞思卡尔半导体飞思卡尔半导体(中国中国)有限公司有限公司 奇梦达科技奇梦达科技(苏州苏州)有限公司有限公司 威讯联合半导体威讯联合半导体(北京北京)有限公司有限公司 深圳赛意法半导体有限公司深圳赛意法半导体有限公司 江苏新潮科技集团有限公司江苏新潮科技集团有限公司 上海松下半导体有限公司上海松下半导体有限公司 英特尔产品英特尔产品(上海上海)有限公司有限公司 南通富士通微电子有限公司南通富士通微电子有限公司 星科金朋星科金朋(上海上海)有限公司有限公司 乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司近年中国集成电路封装测试主要企业是：近年中国集成电路封装
25、测试主要企业是： 炬力集成电路设计有限公司炬力集成电路设计有限公司 中国华大集成电路设计集团有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司 ( (包含北京中电华大电子设计公司等包含北京中电华大电子设计公司等) ) 北京中星微电子有限公司北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司上海华虹集成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司北京清华同方微电子有限公司 展讯通信展讯通信( (上海上海) )有限公
26、司有限公司 近年中国集成电路设计主要企业是：近年中国集成电路设计主要企业是：半导体企业列表半导体企业列表-芯片制造芯片制造 TSMC-台湾积体电路制造股份有限公司 Semiconductor Manufacturing Company LimitedUMC-联华电子公司 United Microelectronics CoporationSMIC-中芯国际集成电路制造股份有限公司 Semiconductor Manufacturing International CorporationCSM-特许半导体制造公司 Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd
27、.HHNEC-上海华虹NEC电子有限公司 Shanghai Hua Hong NEC Electronics Company, Ltd.GSMC-宏力半导体制造有限公司 Grace Semiconductor Manufacturing Corporation ASMC-上海先进半导体制造有限公司 Advanced Semiconductor Manufacturing Corp.of ShanghaiBCD-BCD半导体制造有限公司 BCD Semiconductor Manufacturing Limited1Belling-上海贝岭股份有限公司 Shanghai Belling Co.,
28、 Ltd.HJTC-和舰科技(苏州)有限公司 HeJian Technology (Suzhou) Co., Ltd. IC Spectrum-德芯电子集成电路制造有限公司 IC Spectrum Co., Ltd.5 Hynix-ST-海力士-意法半导体有限公司 Hynix-ST Semiconductor Ltd.CSWC-华润晶芯半导体有限公司 fChina Resources Semiconductor Wafer Chips Ltd.CSMC-华润上华科技有限公司CSMC Technologies CorporationGMIC-南通绿山集成电路有限公司 Nantong Green
29、Mountain Integrated Corp., LtdSilan-杭州士兰集成电路有限公司 Hangzhou silan integrated circuits Co., Ltd. SinoMOS-中纬积体电路(宁波)有限公司SinoMOS Semiconductor (Ningbo) Inc.SGNEC-首钢曰电电子有限公司Shougang NEC Electronic Co.,LtdTJSemi-天津中环半导体股份有限公司Tianjin Zhonghuan Semiconductor Joint-stock Co.,Ltd. Founder IC-深圳方正微电子有限公司Founder
30、 Microelectronics Inc.ACSMC-珠海南科集成电子有限公司Advanced CMOS Semiconductor Manufacturing Corp.XiYue-西岳电子技术有限公司 XiYue Electronics Technology Co., Ltd. WXIC-武汉新芯积体电路制造有限公司委托中芯国际 (SMIC)经营管理 Intel Corporation Fab-68 (in Dalian, China) 00.050.10.150.20.250.3um199920012003200520072011中国集成电路特征尺寸研究技术水平中国集成电路特征尺寸研究
31、技术水平 （引进、合资以及独资）（引进、合资以及独资）中国大陆半导体产业作为国际产业链的一个环节，企业形态以代工型企业(foundry)为主，产业结构偏重封装测试环节，国内企业规模和市场份额相对较小，产品单一，企业发展和技术水平还不够成熟稳定，行业处于成长期。产业链结构缓慢向上游迁移：产业链结构缓慢向上游迁移：IC设计、制造和封装测试业所占的比重为18.5%、30.7%和50.8%。而国际公认的合理比例是3:4:3芯片设计水平和收入逐步提高：芯片设计水平和收入逐步提高： 20%的设计企业能够进行0.18微米、100万门的IC设计，最高设计水平已达90纳米、5000万门芯片生产线快速增长：芯片生
32、产线快速增长：从2006年至今增加了10条线，平均每年增加6条。已经达到最高90纳米、主流技术0.18微米的技术水平。中国半导体中国半导体产业的产业的“生态生态”环境环境 集成电路芯片设计、芯片制造、芯片封装测试价值分布： 10美元、5美元、3.5美元 设计行业和人员收入较高。三、微电子技术微型电子技术1、概述微电子学（Microelectronics）是研究在固体材料上构成微小型化电子线路、子系统及系统的电子学分支学科。它是电子学最重要的组成部分，是计算机科学、信息科学、固态电子学、医用电子学等发展的基础。其核心集成电路80100 m头发丝粗细 50m 30m1m 1m(晶体管的大小)90年
33、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微电子的特点微电子的特点q微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是信息领域的重要基础学科q微电子学微电子学是一门综合性很强的边缘学科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。设计、测试与加工、图论、化学等多个学科。q微电子学是一门发展极为迅速的微电子学是一门发展极为迅速的学科学科; ;q微电子学的微电子学的发展发展方向方向: :高
34、高集成度、低功耗、高性能、高集成度、低功耗、高性能、高可靠可靠性等方向。性等方向。q微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。性极强。q微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合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，例如微机电系统而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)(MEMS)、生物芯片等。、生物芯片等。2、微电子、微电子科学技术的战略地位科学技术的战略地位核心和基础：微电子关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信基础： 软件、 微（纳）电子与光电子信息安全信息管理信息技术的领
35、域信息显示 实现社会信息化的网络及其关键部件,不管是各种计算机或通讯智能机，它们的基础都离不开微电子。51 近30年来，集成电路技术一直按照“摩尔定律”向前发展。集成电路工艺的特征尺寸越来越小，集成密度越来越高。 集成电路材料趋于多元化:（不仅仅是硅基、SiO2和铝引线等）; 集成的元件: 种类更多（各种存储器、传感器、放大器等）; 集成的系统: 更为复杂、庞大; 集成电路的功能: 更为完善和强大（一个芯片就是一个独立 完整的系统-SOC）; 集成系统的功耗: 更低，成为微电子技术的发展趋势。21世纪的微电子将是SOC（System On Chip)的时代。 微电子技术发展的微电子技术发展的动
36、力：动力：不断提高产品的性价比不断提高产品的性价比。 集成电路产业的现状：集成电路产业的现状： 独立的设计公司（独立的设计公司（Design HouseDesign House） 独立的集成器件制造厂家（标准的独立的集成器件制造厂家（标准的FoundryFoundry） 独立的封装测试厂家（独立的封装测试厂家（ Packaging)Packaging)3 3、集成电路、集成电路与产值与产值 集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可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。靠地生产出来。 集成电路芯片价格：集成电路芯片价格：10101 110102 2美元美元 生产线的投
37、资：生产线的投资： 10109 9美元（美元（8 8”、0.250.25微米）微米） 要想赢利：年产量要想赢利：年产量10108 8 块块 集成电路芯片是整机高附加值的集成电路芯片是整机高附加值的倍增器倍增器，但不是最终，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。值和高附加值。 每每l l2 2元的集成电路产值可带动元的集成电路产值可带动1010元左右的电子工业元左右的电子工业产值，产值，进而大进而大体能带动体能带动100100元的元的GDPGDP增长。增长。 摩尔定律将于摩尔定律将于20162016年左右失效。年左右失
38、效。 20302030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况。航空工业的情况。诞生基于新原理的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路摩尔定律走向何方？57 美国德州仪器(TI)开发商大会2012年5月26日起在中国深圳召开。 在深圳的首场报告中，TI 首席科学家 Gene Frantz(方进 )阐述了科技将如何改变未来生活，并展示了一系列极富创意和前瞻性的崭新思想，将与会者带入2020年的未来科技世界。这是微电子科技界让人充满期望的一次盛会。 方进(Gene Frantz)为德州仪器(TI)首席科学家，主要负责发掘科技创
39、新的机会。并运用TI先进的数字信号处理技术开展创新业务。方进是电子工程师协会(IEEE)的会员，在记忆存储，语音和消费电子以及DSP技术方面的专利多达40个。594、微电子技术应用的发展 方进指出，随着对视讯影像、车用电子、通讯设备、工业应用及医疗电子等相关应用的需求提升，全球 DSP(Digital Signal Processing)，、微控制器和模拟元件的需求持续以惊人的速度攀升，到2020年，全球嵌入式处理器市场将拥有突破突破300300亿美元的市场商机，模拟市场则有超过亿美元的市场商机，模拟市场则有超过1000亿美元的市场规模。 60 绿色装置、机器人技术、医疗微电子等相关应用，绿色
40、装置、机器人技术、医疗微电子等相关应用，将成为将成为20202020年驱动市场成长的主要动力。年驱动市场成长的主要动力。 关于微电子技未来的发展，方进认为，到关于微电子技未来的发展，方进认为，到20202020年，年，集成电路集成电路 (IC) (IC) 技术将发展到非常精细的程度，在技术将发展到非常精细的程度，在许多方面会产生革命性的变化许多方面会产生革命性的变化61 1）、多核趋势及灵活的协处理器革命 并行处理带来半导体性能的疾速提升，未来 IC 产业通用性将变得极其重要，系统需要更多灵活可编程的 DSP 核，并增加优化的可编程的协处理器，以迎接未来创新应用所带来的高效、严峻挑战。 622
41、）、低功耗节能时代到来 半导体器件功耗将达到每18个月缩减一半，这使得永续设施成为可能，某些情况下电池将被能源清除技术及能源存储单元所替代。 3）、SiP 技术普及 未来使用尖端的叠层裸片技术 (SiP) 进行集成将与嵌入式片上系统 (SoC) 一样普遍，SiP 技术能够节省主板空间、减少组件数目，允许不同技术包集成，大大简化开发时间和成本。 4）、绿色装置 致力于环境保护与全球绿色工程相关产品的研发与投入，如替代能源、高效动力产品、优化的照明方案和永续设施等。 5）、机器人技术 机器人技术将大幅提升工业生产的自动化和人类生活的便捷化，TI在替代人类及肢体操作（如眼睛、腿臂、器官等）和人机交互
42、直接接口方面进行探索，使科技的进步与创新更好地服务于人类的生产与日常生活。 6）、医疗电子革命 人类对生活质量提升的需求，推动医疗电子革命。各种自动化的医疗设备及视频装置，使人们不必亲赴医院就诊。基于TI技术研发的各种医疗成像设备、超声设备、自动延伸的心脏除颤器等手持医疗设备及远端视频装置，为人类的健康与新的医疗科技革命推波助澜。 器件结构类型器件结构类型集成度集成度电路的电路的功能功能基础电路制造工艺基础电路制造工艺应用应用领域领域5、集成电路的分类 1)按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成 NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路 PN
43、PPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管( (单极型晶体管单极型晶体管) )构成构成 NMOSNMOS PMOSPMOS CMOS(CMOS(互补互补MOS)MOS)双极双极-MOS(-MOS(BiMOSBiMOS) )集成电路：是同时包括双极集成电路：是同时包括双极和和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极和晶体管的集成电路。综合了双极和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路
44、芯片中包含的元器件数目(小型集成电路)(中型集成电路)(大规模集成电路)(超大规模集成电路)(特大规模集成电路)(极大规模集成电路) 2)按集成度分类3)按电路的功能分类数字集成电路数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进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。行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和
45、非线性集成电路 ： 线性集成电路线性集成电路：如：如运算放大器、电压比较器、跟随器等。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。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 数数模混合集成电路模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)转换器等转换器等。v 标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，
46、通用性强。需求量大，通用性强。4)按应用领域分类v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称集成电路简称ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。装形式多样。 A. 特征尺寸特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对对MOS器件而言，通常器件而言，通常指器件栅电极所
47、决定的沟道几何长度指器件栅电极所决定的沟道几何长度)5)描述描述集成电路工艺技术水平的集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进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。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向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.0650.035m工工艺艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.028 m 。 B. 晶片直径晶片直径(Wafer Diameter) 为了提高集成
48、度，可适当增大芯片面积。然而，为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增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，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。成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向吋，正在向12吋晶圆迈进。下吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从图自左到右给出的是从2吋吋12吋按比例画出的圆。由此，我吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺
49、寸从2吋吋12吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆集成电路集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺是集成制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。基础。集成电路集成电路工艺技术主要包括工艺技术主要包括: (1)、原始硅片原始硅片工艺工艺： 硅单晶拉制到最终形成作硅单晶拉制到最终形成作为为IC衬底和有源区的硅片的一衬底和有源区的硅片的一 整套整套工艺技术。工艺技术。 (2)、掺杂掺杂工艺：工艺：包括包括各种扩散掺杂和离子注入各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术掺杂技术。6)基础基础电路制造工艺电路制造工艺 (3)、微细图形加工工艺微细图形
50、加工工艺 包括包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。图形的复印和刻蚀转移两个方面。 (4)、介质薄膜工艺介质薄膜工艺 包括包括各种热生长技术和各种各种热生长技术和各种CVD技术。技术。 (5)、金属薄膜工艺金属薄膜工艺 包括包括真空蒸发技术、溅射技术和真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。技术。超净化超净化厂房厂房芯片制造净化区域走廊 投投影影式式光光刻刻机机300mm wafers硅硅片片清清洗洗装装置置12英寸氧化英寸氧化扩散炉装片扩散炉装片工序工序12英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片工序（已生长（已生长Si3N4）化学汽相沉积CVD 检检测测工工序序18.5 M去去离离子子水水生生产产
