第一章 绪论(朱平).ppt

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1、数字集成电路数字集成电路电子与计算机科学技术学院电子与计算机科学技术学院电子与计算机科学技术学院电子与计算机科学技术学院任课教师任课教师任课教师任课教师 朱平朱平朱平朱平联系方式联系方式Email:Email:电电电电 话：话：话：话：39203503920350（OO）；）；）；）；办公室办公室办公室办公室:（科研大楼）科研大楼）科研大楼）科研大楼）415415考核方式考核方式成绩组成：平时成绩组成：平时成绩组成：平时成绩组成：平时+期中期中期中期中+实验实验实验实验+期末期末期末期末10%10%10%70%10%10%10%70%数字集成电路数字集成电路课程教学大纲课程教学大纲学时：学时：

2、40（含实验（含实验8）学分：学分：2.5先修课程：先修课程：电路分析基础电路分析基础电路分析基础电路分析基础 模拟电路基础模拟电路基础模拟电路基础模拟电路基础 数字逻辑设计及应用数字逻辑设计及应用数字逻辑设计及应用数字逻辑设计及应用 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统 微电子器件微电子器件微电子器件微电子器件 微电子工艺微电子工艺微电子工艺微电子工艺 电工基础电工基础电工基础电工基础微电子基础微电子基础微电子基础微电子基础一、课程性质和任务一、课程性质和任务 本课程属专业方向限选课，是电子科学与技术专业（微本课程属专业方向限选课，是电子科学与技术专业（微本课程属专业方向限选课，是电子科

3、学与技术专业（微本课程属专业方向限选课，是电子科学与技术专业（微电子技术方向）的主干课之一。其任务是：电子技术方向）的主干课之一。其任务是：电子技术方向）的主干课之一。其任务是：电子技术方向）的主干课之一。其任务是：在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型 和和和和MOSMOS逻辑逻辑逻辑逻辑/模拟集成电路的基本单元结构、工作原理及其模拟集成电路的基本单元结构、工作原理及其模拟集成电路的基本单元结构、工作原理及其模拟集成电路的基

4、本单元结构、工作原理及其电学特性；电学特性；电学特性；电学特性；能进行双极能进行双极能进行双极能进行双极/MOSMOS集成电路拓扑及版图的分析与设计，掌握微集成电路拓扑及版图的分析与设计，掌握微集成电路拓扑及版图的分析与设计，掌握微集成电路拓扑及版图的分析与设计，掌握微电子电子电子电子ICIC设计方法与理念；设计方法与理念；设计方法与理念；设计方法与理念；了解了解了解了解VLSIVLSI测试、封装和测试、封装和测试、封装和测试、封装和VLSIVLSI系统设计的基本概念及思想；系统设计的基本概念及思想；系统设计的基本概念及思想；系统设计的基本概念及思想；对现代集成电路中出现的新机制、新效应有较充

5、分的认识。对现代集成电路中出现的新机制、新效应有较充分的认识。对现代集成电路中出现的新机制、新效应有较充分的认识。对现代集成电路中出现的新机制、新效应有较充分的认识。二、教学内容和要求二、教学内容和要求 第一部分：第一部分：基本单元基本单元第二部分：电路设计第二部分：电路设计 三、教材和参考资料三、教材和参考资料 数字集成电路，周润德，电子工业出版社，数字集成电路，周润德，电子工业出版社，数字集成电路，周润德，电子工业出版社，数字集成电路，周润德，电子工业出版社，20201010年。年。年。年。1.1.数字集成电路设计透视数字集成电路设计透视数字集成电路设计透视数字集成电路设计透视（英文），（

6、英文），（英文），（英文），J.M.J.M.RabaeyRabaey，清华大学出，清华大学出，清华大学出，清华大学出版社（影印），版社（影印），版社（影印），版社（影印），19991999年年年年2 2月第一版。月第一版。月第一版。月第一版。2.2.CMOSCMOS数字集成电路数字集成电路数字集成电路数字集成电路分析与设计分析与设计分析与设计分析与设计，S-M.KangS-M.Kang，清华大学，清华大学，清华大学，清华大学出版社（影印），出版社（影印），出版社（影印），出版社（影印），20042004年年年年8 8月第一版。月第一版。月第一版。月第一版。3.3.CMOSCMOS模拟电路设计模

7、拟电路设计模拟电路设计模拟电路设计（英文），（英文），（英文），（英文），P.E.AllenP.E.Allen，D.R.HolbergD.R.Holberg，电子，电子，电子，电子工业出版社，工业出版社，工业出版社，工业出版社，20022002年年年年6 6月第二版。月第二版。月第二版。月第二版。4.4.模拟模拟模拟模拟CMOSCMOS集成电路设计集成电路设计集成电路设计集成电路设计，毕查德，毕查德，毕查德，毕查德.拉扎维著，陈贵灿等译，西拉扎维著，陈贵灿等译，西拉扎维著，陈贵灿等译，西拉扎维著，陈贵灿等译，西安交通大学出版社，安交通大学出版社，安交通大学出版社，安交通大学出版社，200320

8、03年年年年3 3月第一版。月第一版。月第一版。月第一版。5.5.模拟集成电路的分析与设计模拟集成电路的分析与设计模拟集成电路的分析与设计模拟集成电路的分析与设计，P.R.GrayP.R.Gray等著，高等教育出版等著，高等教育出版等著，高等教育出版等著，高等教育出版社，社，社，社，20032003年年年年1010月第一版。月第一版。月第一版。月第一版。参考资料：参考资料：第一章第一章绪绪论论1.1集成电路的分类集成电路的分类1.2半导体集成电路发展概况与国内外现状半导体集成电路发展概况与国内外现状1.3半导体半导体IC技术发展趋势技术发展趋势1.4集成电路技术的特点集成电路技术的特点1.5本

9、课程教学方法本课程教学方法1、集成电路、集成电路IntegratedCircuits/IC是指用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺（或这些工艺是指用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺（或这些工艺的组合），把电路的的组合），把电路的有源、无源器件有源、无源器件及及互连布线互连布线以相互不以相互不可分离的状态制作在半导体或绝缘材料可分离的状态制作在半导体或绝缘材料基片基片上，最后封装上，最后封装在一个在一个管壳管壳内，构成一个完整的、具有特定功能的电路、内，构成一个完整的、具有特定功能的电路、组件、子系统或系统。组件、子系统或系统。1.1集成电路的分类集成电路的分类根据工艺和结构的不同，可将根据工艺和结构的不

10、同，可将根据工艺和结构的不同，可将根据工艺和结构的不同，可将ICIC分为三类：分为三类：分为三类：分为三类：膜膜IC，又可分为两种又可分为两种 厚膜电路厚膜电路厚膜电路厚膜电路用用于于制制作作电电阻阻器器、电电容容器器以以及及相相互互间间的的电电连连接接。比比单单片片IC面面积积大大，一一般般功功率率较较大大，频频率率较较高高（可可达达1GHz）。主主要要工工艺艺为为漏漏印印（丝丝网网印印刷刷）。设设备备费费用用和和材材料料费费用用低低。膜膜层层典典型型厚厚度度约约为为20 m，最最小小导导电电带带宽宽度度250 m，最最小小电电阻阻器器宽宽度度约约1250 m。薄膜电路薄膜电路薄膜电路薄膜电

11、路主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000 500。半导体半导体半导体半导体ICIC或称单片（或称单片（或称单片（或称单片（MonolithicMonolithic）ICIC集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。制作高精度、高阻值的电阻和大容量

12、电容以及电感。混合混合混合混合ICIC（HybridICHybridIC）指指将将两两个个或或更更多多的的不不同同类类型型集集成成电电路路芯芯片片、有有时时也也包包括括一一些些分分立立元元件件，组组合合成成一一个个整整体体，密密封封在在一一个个管管壳壳内内，构构成成所所谓谓HIC。HIC一般体积较大，但性能得以提高。一般体积较大，但性能得以提高。本课程的研究对象为半导体或微电子集成电路本课程的研究对象为半导体或微电子集成电路本课程的研究对象为半导体或微电子集成电路本课程的研究对象为半导体或微电子集成电路 2、集成电路制造工艺、集成电路制造工艺单晶硅棒单晶硅棒硅片硅片前前前前工序完成后的大圆片（

13、工序完成后的大圆片（工序完成后的大圆片（工序完成后的大圆片（WaferWafer）封装后的集成电路封装后的集成电路封装后的集成电路封装后的集成电路由由由由集成电路和分立元件构成的电子模块集成电路和分立元件构成的电子模块集成电路和分立元件构成的电子模块集成电路和分立元件构成的电子模块如按如按集成度集成度集成度集成度高低分类，则半导体高低分类，则半导体IC可分为：可分为：表表1-1IC按集成度的分类按集成度的分类分类分类分类分类 标准标准标准标准SSISSIMSIMSILSILSIVLSIVLSIULSIULSIGSIGSI集成度集成度集成度集成度1010109 9集成度集成度是指是指在在在在单块

14、晶片上或单个封装中单块晶片上或单个封装中单块晶片上或单个封装中单块晶片上或单个封装中构成的构成的构成的构成的ICIC所包所包所包所包含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。而而SSI，MSIGSI等分别为各分类的英文缩写，即等分别为各分类的英文缩写，即SmallScaleIntegration，MediumScaleIntegrationGiantScaleIntegration。数字或逻辑集成电路数字或逻辑集成电路数字或逻辑集成电路数字或逻辑集成电路Digital/Logi

15、cICDigital/LogicIC模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路AnalogICAnalogIC数模混合集成电路数模混合集成电路数模混合集成电路数模混合集成电路Digital-AnalogMixedICDigital-AnalogMixedIC双极型集成电路双极型集成电路双极型集成电路双极型集成电路BipolarICBipolarICMOSMOS型集成电路型集成电路型集成电路型集成电路MOSICMOSIC双极双极双极双极+CMOS+CMOS型集成电路型集成电路型集成电路型集成电路BiCMOSBiCMOSICIC1.21.2半导体集成电路发展概况与国内外现状半导体集成电路发展

16、概况与国内外现状半导体集成电路发展概况与国内外现状半导体集成电路发展概况与国内外现状 1.2.1IC历史回顾与展望历史回顾与展望1947年年发明第一只发明第一只点接触式晶体管点接触式晶体管点接触式晶体管点接触式晶体管（1947年年12月月23日）日）世界上第一个晶体管世界上第一个晶体管-PNP点接触式点接触式Ge晶体管晶体管蒸金箔蒸金箔塑料楔塑料楔金属金属基极基极锗锗发发射射极极集集电电极极0.005cm的间距的间距晶体管的三位发明人：晶体管的三位发明人：晶体管的三位发明人：晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿巴丁、肖克莱、布拉顿巴丁、肖克莱、布拉顿巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管诞生晶体管诞生

17、晶体管诞生晶体管诞生25252525周年时发行的首日封周年时发行的首日封周年时发行的首日封周年时发行的首日封1948年年发明结型晶体管（发明结型晶体管（JunctionTransistor）美美BELL实验室实验室W.ShockleyW.Shockley 肖克莱肖克莱肖克莱肖克莱，于，于1948年年1月月提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只结型晶体管结型晶体管结型晶体管结型晶体管，因此与，因此与J.Bardeen巴丁、巴丁、W.H.Brattain布布拉顿拉顿、一起荣获一起荣获1956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖5050年代年代年代年

18、代晶体管得到大发展（材料由晶体管得到大发展（材料由晶体管得到大发展（材料由晶体管得到大发展（材料由GeGeSiSi）19581958年年年年发明第一块简单发明第一块简单发明第一块简单发明第一块简单ICIC美国美国美国美国TITI公司公司公司公司 JackJackS.KilbyS.Kilby 基尔比基尔比基尔比基尔比2000年度诺贝尔年度诺贝尔物理学奖得主物理学奖得主19521952年年年年英国科学家杜默英国科学家杜默英国科学家杜默英国科学家杜默(J.W.DummerJ.W.Dummer)首次提出了集成电首次提出了集成电首次提出了集成电首次提出了集成电路路路路(IntegratedCircuit

19、IC)(IntegratedCircuitIC)思想。思想。思想。思想。“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件来电子设备是一种没有连接线的固体组件来电子设备是一种没有连接线的固体组件来电子设备是一种没有连接线的固体组件”青年基尔比青年基尔比青年基尔比青年基尔比第一块集成电路第一块集成电路第一块集成电路第一块集成电路集成电路草图集成电路草图集成电路草图集成电路草图19

20、58年年9月月12日，日，TI公司的公司的JackS.Kilby在德州仪器半导体实在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。管、两个电容和八个电阻）。1959年年美国美国仙童公司仙童公司Fairchilds的的R.Noicy诺依斯诺依斯开发出用开发出用于于IC的平面工艺技

21、术，从而推动了的平面工艺技术，从而推动了IC制造业大发展。制造业大发展。19591959年仙童制造的年仙童制造的年仙童制造的年仙童制造的ICIC 19611961年仙童制造的年仙童制造的年仙童制造的年仙童制造的ICIC年轻时代的诺伊斯年轻时代的诺伊斯年轻时代的诺伊斯年轻时代的诺伊斯60年代年代TTL、ECL出现并得到广泛应用出现并得到广泛应用1966年年MOSLSI发明（集成度高，功耗低）发明（集成度高，功耗低）7070年代年代年代年代MOSLSIMOSLSI得到大发展得到大发展得到大发展得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）（出现集成化微处理器，存储器）（出现集成化微处理器，存储器）（出现

22、集成化微处理器，存储器）80年代年代VLSI出现，使出现，使IC进入了崭新的阶段。进入了崭新的阶段。（其标志为（其标志为CD 2 m，集成度集成度 105个元件个元件/片）片）90年年代代ASIC、ULSI和和巨巨大大规规模模集集成成GSI等等代代表表更更高高技技术术水平的水平的水平的水平的ICIC不断涌现，并成为不断涌现，并成为不断涌现，并成为不断涌现，并成为ICIC应用的主流产品。应用的主流产品。应用的主流产品。应用的主流产品。2121世纪世纪世纪世纪SOCSOC、纳米器件与电路等领域的研究已展开纳米器件与电路等领域的研究已展开纳米器件与电路等领域的研究已展开纳米器件与电路等领域的研究已展

23、开展展望望可可望望突突破破一一些些先先前前认认为为的的IC发发展展极极限限，对对集集成成电路电路IC的涵义也将有新的诠释。的涵义也将有新的诠释。黄黄黄黄里斯理论里斯理论里斯理论里斯理论黄昆方程黄昆方程黄昆方程黄昆方程黄黄黄黄漫散射漫散射漫散射漫散射黄朱模型黄朱模型黄朱模型黄朱模型“真人真人真人真人”黄昆（黄昆（黄昆（黄昆（1919-20051919-2005）“中国的黄昆是最聪明的。中国的黄昆是最聪明的。中国的黄昆是最聪明的。中国的黄昆是最聪明的。”量子力学创始人之一的玻恩在自传中这样评价量子力学创始人之一的玻恩在自传中这样评价量子力学创始人之一的玻恩在自传中这样评价量子力学创始人之一的玻恩在

24、自传中这样评价自己的弟子。黄昆与他合著的自己的弟子。黄昆与他合著的自己的弟子。黄昆与他合著的自己的弟子。黄昆与他合著的晶格动力学晶格动力学晶格动力学晶格动力学被誉为这一领域的圣经。在给爱因被誉为这一领域的圣经。在给爱因被誉为这一领域的圣经。在给爱因被誉为这一领域的圣经。在给爱因斯坦的信中，玻恩写道：斯坦的信中，玻恩写道：斯坦的信中，玻恩写道：斯坦的信中，玻恩写道：“书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄昆以我们两人名义所写的东西，就很高兴了。昆以我们

25、两人名义所写的东西，就很高兴了。昆以我们两人名义所写的东西，就很高兴了。昆以我们两人名义所写的东西，就很高兴了。”中国的半导体传奇中国的半导体传奇中国的半导体传奇中国的半导体传奇林兰英院士林兰英院士林兰英院士林兰英院士（中科院半导体所）（中科院半导体所）（中科院半导体所）（中科院半导体所）谢希德院士谢希德院士谢希德院士谢希德院士（复旦大学）（复旦大学）（复旦大学）（复旦大学）李志坚院士李志坚院士李志坚院士李志坚院士（清华大学）（清华大学）（清华大学）（清华大学）王阳元院士王阳元院士王阳元院士王阳元院士（北京大学）（北京大学）（北京大学）（北京大学）陈星弼院士陈星弼院士陈星弼院士陈星弼院士（电子

26、科技大学）（电子科技大学）（电子科技大学）（电子科技大学）1.2.2世界半导体行业概况世界半导体行业概况1、世界主要半导体公司、世界主要半导体公司INTELINTEL美美美美 TITI（德州仪器）德州仪器）德州仪器）德州仪器）美美美美 NECNEC日日日日 STM 意法 TOSHIBA日日 SAMSUNGSAMSUNG韩韩韩韩 MOTOROLAMOTOROLA美美美美 PHILIPS 荷 HITACHI 日 InfineonInfineon 德德德德 AMDAMD美美美美 IBMIBM美美美美 NS 美 OnSemi 美 ADIADI美美美美 MAXIMMAXIM美美美美 FreeScale

27、美 Ericsson Components 瑞典 2008排名排名2009排名排名公司公司08收入收入（亿美元）（亿美元）09收入收入（亿美元）（亿美元）变化变化总份额总份额11Intel337.67320.95-5.0%14.2%22SamsungElectronics169.02171.231.3%7.6%33Toshiba110.81106.40-4.0%4.7%44TexasInstruments110.6896.12-13.2%4.2%55STMicroelectronics103.2584.00-18.6%3.7%86Qualcomm64.7764.750.0%2.9%97Hyni

28、x60.2359.40-1.4%2.6%68RenesasTechnology70.1756.64-19.3%2.5%129AMD54.5550.38-7.6%2.2%710Sony69.5046.70-32.8%2.1%数据来源：数据来源：数据来源：数据来源：iSuppliiSuppli公司公司公司公司 20092009年世界半导体公司排名年世界半导体公司排名年世界半导体公司排名年世界半导体公司排名 1111NECElectronics58.2644.03-24.4%1.9%1012InfineonTechnologies59.5443.40-27.1%1.9%1413Broadcom46.

29、4341.98-9.6%1.9%1614MicronTechnology44.3539.95-9.9%1.8%2415MediaTek28.9635.2421.7%1.6%1916ElpidaMemory35.9934.98-2.8%1.5%1317FreescaleSemiconductor49.6633.44-32.7%1.5%1518PanasonicCorporation44.7333.30-25.6%1.5%1719NXP40.5532.47-19.9%1.4%1820SharpElectronics36.0728.86-20.0%1.3%20102010年世界半导体公司排名（前十名

30、）年世界半导体公司排名（前十名）年世界半导体公司排名（前十名）年世界半导体公司排名（前十名）1.2.3中国半导体工业发展与现状中国半导体工业发展与现状1、主要的工厂：、主要的工厂：北京：北京：774厂（东方）、厂（东方）、878厂厂锦州：锦州：777江苏：江苏：742厂厂华晶（无锡）华晶（无锡）中电集团中电集团58所所华润上华华润上华江西：南昌江西：南昌746厂厂湖南：长沙湖南：长沙4435厂厂贵州：贵州：873、4433厂厂四川：四川：970（亚光）（亚光）甘肃：甘肃：749厂厂871厂厂天光（天水）天光（天水）华越（绍兴）华越（绍兴）西安：西安：877（卫光）（卫光）2、主要研究所：、主要

31、研究所：中电中电13所（石家庄）：微波、所（石家庄）：微波、GaAsFET中电中电24所（重庆）：模拟所（重庆）：模拟IC，SiGe中电中电55所（南京）：微波、所（南京）：微波、GaAsFET中电中电47所（沈阳）：数字所（沈阳）：数字IC中电集团中电集团58所（无锡）：数字所（无锡）：数字IC为主为主兵器部兵器部214所（蚌埠）：军品所（蚌埠）：军品航天部航天部771所（西安）、所（西安）、772所（北京）：军品所（北京）：军品中科院上海冶金所中科院上海冶金所3 3、“8.5”“8.5”期间的发展：期间的发展：期间的发展：期间的发展：华晶华晶华晶华晶“908”“908”工程（无锡）工程（无

32、锡）工程（无锡）工程（无锡）华越（绍兴）华越（绍兴）华越（绍兴）华越（绍兴）上无上无上无上无1414厂厂厂厂+外资外资外资外资PHILIPSPHILIPS贝岭（中资贝岭（中资贝岭（中资贝岭（中资85%85%）上无上无上无上无2626厂厂厂厂+外资外资外资外资PHILIPSPHILIPS菲利浦（外资菲利浦（外资菲利浦（外资菲利浦（外资51%51%）首钢首钢首钢首钢+NECNEC首钢首钢首钢首钢NECNEC（日方控股）（北京）日方控股）（北京）日方控股）（北京）日方控股）（北京）4 4、“9.5”“9.5”期间新建项目：期间新建项目：期间新建项目：期间新建项目：“909”“909”工程工程工程工程

33、上海华虹上海华虹上海华虹上海华虹NECNEC（其中中方投资其中中方投资其中中方投资其中中方投资100100亿）亿）亿）亿）11条条条条8 8英寸、英寸、英寸、英寸、CD=0.35CD=0.35 0.50.5 mICmIC生产线生产线生产线生产线11条条条条8 8英寸硅单晶生产线英寸硅单晶生产线英寸硅单晶生产线英寸硅单晶生产线 深圳国微电子有限公司深圳国微电子有限公司深圳国微电子有限公司深圳国微电子有限公司熊猫电子集团电子设计公司熊猫电子集团电子设计公司熊猫电子集团电子设计公司熊猫电子集团电子设计公司北京华大集成电路设计公司北京华大集成电路设计公司北京华大集成电路设计公司北京华大集成电路设计公司

34、 深圳华为技术有限公司深圳华为技术有限公司深圳华为技术有限公司深圳华为技术有限公司航天科技集成电路设计（深圳）公司航天科技集成电路设计（深圳）公司航天科技集成电路设计（深圳）公司航天科技集成电路设计（深圳）公司成都华微电子有限公司成都华微电子有限公司成都华微电子有限公司成都华微电子有限公司上海冶金所微电子设计公司上海冶金所微电子设计公司上海冶金所微电子设计公司上海冶金所微电子设计公司 5、“10.5”期间：期间：虽然一条虽然一条8英寸生产线投资十多亿美元，但这种高投入仍然英寸生产线投资十多亿美元，但这种高投入仍然挡不住挡不住北京北京北京北京、上海上海上海上海进军芯片制造业的步伐，两地都宣布要成

35、为进军芯片制造业的步伐，两地都宣布要成为中国的半导体产业中心。中国的半导体产业中心。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投资最大，计划总投资投资最大，计划总投资60亿亿美元，仅首期投入就达美元，仅首期投入就达16.3亿美元。（亿美元。（8/12英寸、英寸、0.25 m）中芯国际集成电路制造（上海）有限公司中芯国际集成电路制造（上海）有限公司中芯国际集成电路制造（上海）有限公司中芯国际集成电路制造（上海）有限公司SMICSMIC投资投资15亿美元，制造水平为亿美元，制造水平为8英寸、英寸、0.25 m。该公司于。该公司于2000

36、年年12月开工建设，月开工建设，2001年年9月试投产，并先后从新加坡特许半导体、月试投产，并先后从新加坡特许半导体、德国英飞凌德国英飞凌Infineon公司获得公司获得0.18 m、0.14 m和和0.11 m技技术授权，推动了中国半导体制造技术的跳跃式发展。术授权，推动了中国半导体制造技术的跳跃式发展。目前，目前，SMIC已有已有9座代工厂投入量产运行。最高工艺水座代工厂投入量产运行。最高工艺水平为晶圆直径平为晶圆直径12英寸、最小线宽英寸、最小线宽45nm。其中三厂为全球仅有的四家铜制程芯片代工厂之一，其其中三厂为全球仅有的四家铜制程芯片代工厂之一，其余三家控制在台积电、联电和余三家控制

37、在台积电、联电和IBM手上。手上。6、国内、国内IC制造与设计现状分析制造与设计现状分析中国中国IC制造业现状制造业现状中中国国现现有有半半导导体体制制造造业业的的技技术术水水平平，目目前前具具有有代代表表性性的的是是八八大大企企业业：中中芯芯国国际际、宏宏力力、华华虹虹NEC、华华晶晶、华华越越、南南科科贝贝岭岭、先先进进和和首首钢钢NEC。最最高高水水平平的的是是中中中中芯芯芯芯国国国国际际际际1212英英英英寸寸寸寸45nm45nm，达到当代国际水平。，达到当代国际水平。截至截至2008年，中国大陆年，中国大陆8英寸以上的半导体生产线共英寸以上的半导体生产线共22条，其中条，其中8英寸英

38、寸16条条(已实现量产的有已实现量产的有13条，产能为条，产能为3135万片万片/月月)，12英寸英寸8条条(已实已实现量产的有现量产的有2条，产能为条，产能为4.56.5万片万片/月月)。中国中国IC设计业现状设计业现状国内设计公司大约分为五个类型：国内设计公司大约分为五个类型：专业设计公司专业设计公司专业设计公司专业设计公司，如中国华大、天潼、长江等；，如中国华大、天潼、长江等；企业、研究所的设计部门企业、研究所的设计部门企业、研究所的设计部门企业、研究所的设计部门，如华晶、首钢，如华晶、首钢NEC、13所等所等都有专门的设计所；都有专门的设计所；整机公司的设计部门整机公司的设计部门整机公

39、司的设计部门整机公司的设计部门，如华为、海信、熊猫等都有自己，如华为、海信、熊猫等都有自己的设计所；的设计所；高等院校的设计部门高等院校的设计部门高等院校的设计部门高等院校的设计部门，如清华、北大、复旦；，如清华、北大、复旦；外资在大陆建立的设计公司外资在大陆建立的设计公司外资在大陆建立的设计公司外资在大陆建立的设计公司，如，如INTEL、EPSON、ADIMOTOROLA和和InfineonInfineon等在苏州、上海、北京、西安等在苏州、上海、北京、西安都开设了设计分部或公司。都开设了设计分部或公司。1.3半导体半导体IC技术发展趋势技术发展趋势1.3.11.3.1提高集成度的途径提高集

40、成度的途径提高集成度的途径提高集成度的途径1 1、微细加工技术的提高、微细加工技术的提高、微细加工技术的提高、微细加工技术的提高 微细加工技术水平通常用微细加工技术水平通常用特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸表征。表征。特征尺寸：特征尺寸：即即CD（CriticalDimension），表征微细加，表征微细加工技术水平的主要技术指标之一，是指工艺所能加工出的最工技术水平的主要技术指标之一，是指工艺所能加工出的最小线条宽度。小线条宽度。MOSMOS工艺特征尺寸指工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽工艺特征尺寸指工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽工艺特征尺寸指工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽工艺特征尺寸指

41、工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽双极双极双极双极BipolarBipolar工艺的特征尺寸则是发射极（区）条的最小宽度工艺的特征尺寸则是发射极（区）条的最小宽度工艺的特征尺寸则是发射极（区）条的最小宽度工艺的特征尺寸则是发射极（区）条的最小宽度影响微细加工技术极限的因素，主要是光刻精度。随着影响微细加工技术极限的因素，主要是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子特短紫外光）的发展和电子束投影曝光技术的发展。束投影曝光技术的发展。总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的：总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的：10 m亚微米亚微米

42、0.9 0.5 m深亚微米（深亚微米（0.5 m）0.18 0.12 m纳米（纳米（90nm，60nm，45nm，32nm）INTELINTEL展示展示展示展示32nm1632nm16英寸晶圆英寸晶圆英寸晶圆英寸晶圆2 2、芯片面积扩大、芯片面积扩大、芯片面积扩大、芯片面积扩大 随随着着IC芯芯片片功功能能的的日日益益强强大大，电电路路系系统统也也更更加加复复杂杂，单单芯芯片片面面积积也也不不断断增增大大，以以容容纳纳更更多多的的元元器器件件和和子子单单元元。单单片片面积已由面积已由10mm2扩大到扩大到100mm2甚至几百甚至几百mm2。3 3、大圆片、大圆片、大圆片、大圆片WaferWaf

43、er，大直径化大直径化大直径化大直径化圆片大直径化的发展：圆片大直径化的发展：4，5，6，81012，16（1=1英寸英寸=2.54cm=25.4mm）4 4、简化电路结构、简化电路结构、简化电路结构、简化电路结构半导体半导体IC的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步，的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步，还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少的元件，实现预期的设计指标和性能。的元件，实现预期的设计指标和性能。1.3.2VLSI发展的技术基础发展的技术基础1、先进的生产线、先进的生产线一条先进的一条先进的IC生产线

44、或标准生产线生产线或标准生产线Foundry包括七大要素：包括七大要素：H H2 2OO表表1-2IC工业用超纯水技术标准工业用超纯水技术标准公司公司指标指标TIIBMRCAGI电子部电子部电阻率电阻率MM .cm.cm 15 18 15 16 15 GasGas半导体工业所需气体约为三十几种，纯度要求半导体工业所需气体约为三十几种，纯度要求99.999%，主要杂质氮化物、水汽。主要杂质氮化物、水汽。AcidAcid 纯度纯度99.999%99.9999%MaterialMaterial高纯度的单晶材料、封装材料高纯度的单晶材料、封装材料 CleanRoomCleanRoom超净间、真空传送和

45、光刻等洁净度要求最高，超净间、真空传送和光刻等洁净度要求最高，对于对于CD=0.35 m工艺净化级别要求达到工艺净化级别要求达到1级，当特征尺寸级，当特征尺寸CD小于小于0.1 m后甚至要求后甚至要求0级。级。以以5 m工艺为例，列出净化级别和要求，见表工艺为例，列出净化级别和要求，见表1-3。ManMan高素质、高层次的科技管理人才高素质、高层次的科技管理人才 Equipment包括各种工艺设备、监控和分析仪器包括各种工艺设备、监控和分析仪器净化净化级别级别尘尘粒粒直直径径 m累计累计尘粒尘粒个个/L温度（温度（）湿度湿度（%）气流气流及换及换气次气次数数照照度度lx范范围围推推荐荐误误差差

46、最最高高最最低低误误差差100级级 0.5 3.519.4至至2522.2 2.8特殊特殊 0.284530 10层流层流方式方式0.45m/s 0.1m/s普通普通方式方式 20次次/h1080至至162010000级级 0.5 350 5.0 2.3100000级级 0.5 3500 5.0 25表表1-3净化度标准主要内容（美联邦标准净化度标准主要内容（美联邦标准209a）表表1-4集成电路工艺对环境的要求（微米级工艺）集成电路工艺对环境的要求（微米级工艺）工序工序净化级净化级制版制版光刻光刻扩散、蒸扩散、蒸发发外延外延测试、组装测试、组装环境环境1001001000 100001000

47、 10000100000尘粒直径尘粒直径净化级别净化级别0.1um0.2um0.3um0.5um5.0um1级级357.531NA10级级350753010NA100级级NA750300100NA1000级级NANANA10007（单位：个（单位：个（单位：个（单位：个/立方英尺）立方英尺）立方英尺）立方英尺）超深亚微米超深亚微米超深亚微米超深亚微米工艺的净化度划分工艺的净化度划分工艺的净化度划分工艺的净化度划分1.3.321世纪微电子芯片技术展望世纪微电子芯片技术展望21世纪硅微电子芯片将沿着以下三个方向发展：世纪硅微电子芯片将沿着以下三个方向发展：1 1、继续、继续、继续、继续沿着沿着沿着

48、沿着MooreMoore定律前进；定律前进；定律前进；定律前进；2、片上系统（、片上系统（SOC）；）；3、灵巧芯片，灵巧芯片，或赋予芯片更多的灵气或赋予芯片更多的灵气。1 1、沿着、沿着、沿着、沿着MooreMoore定律继续高速发展定律继续高速发展定律继续高速发展定律继续高速发展MooreMoore定律定律定律定律1965年，年，INTEL公司的公司的Gordon.Moore戈登戈登.摩尔提出：硅集成电路将按照摩尔提出：硅集成电路将按照4年（后来发展到年（后来发展到3年）为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约年）为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小缩小30%、IC工作速度

49、提高工作速度提高1.5倍等规律发展。倍等规律发展。10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存储器容量按摩尔定律的发展趋势存储器容量按摩尔定律的发展趋势（60%/年，每三年翻两番）年，每三年翻两番）沿着沿着Moore定律发展，必然会提出微电子加工尺度和器定律发展，必然会提出微电子加工尺度和器件尺度的缩小有无极限的问题。对于加工技术极限，主要是件尺度的缩小有无极限的问题。对于加工技术极限，主要是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUVEUV（特短紫外光特短紫外光特短紫外光特短紫外光）的发展和的发展和电子束投

50、影曝光电子束投影曝光电子束投影曝光电子束投影曝光技术的发展。根据目前的技术水平，技术的发展。根据目前的技术水平，这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。另一方面，来自器件结构（另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理本晶体管的某些物理本质上的限制，如质上的限制，如量子力学测不准原理量子力学测不准原理量子力学测不准原理量子力学测不准原理和和统计力学热涨落统计力学热涨落统计力学热涨落统计力学热涨落等，等，可能会使可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变今日硅芯片以有可能改变今日硅芯片以CMOS