微電子與ic設(shè)計基礎(chǔ)緒論

1、1微電子器件與IC設(shè)計 Microelectronic devices and IC design華中科技大學(xué)電信系2011年2月2教師：梁 琳華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Tel:87542793 3緒論一、什么是集成電路二、集成電路的分類三、集成電路發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和未來四、集成電路對人類社會的巨大作用五、課程簡介4一、集成電路（Integrated Circuit，IC ）： 通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。 顯然，在學(xué)習(xí)IC之前，首先要學(xué)

2、習(xí)晶體管、二極管等，即所謂的微電子器件。而學(xué)微電子器件之前，又要學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的相關(guān)知識。56集成電路7集成電路集成電路的內(nèi)部電路VddABOut8 硅單晶片與加工好的硅片9集成電路芯片的顯微照片10 50m100 m頭發(fā)絲粗細(xì) 30m1m 1 m(晶體管的大小)3050m(皮膚細(xì)胞的大小)集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較11集成電路設(shè)計與制造的主要流程框架設(shè)計芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試系統(tǒng)需求12 集成電路的設(shè)計過程： 設(shè)計創(chuàng)意 + 仿真驗證 集成電路芯片設(shè)計過程框架是功能要求行為設(shè)計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化網(wǎng)表時序仿真布局布線版圖后仿真否

3、是否否是Sing off13芯片制造過程14芯片制造過程由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝 光刻 蝕硅片測試和封裝用掩膜版重復(fù)20-30次AA15二、集成電路的分類集成電路的分類可按：器件結(jié)構(gòu)類型集成電路規(guī)模結(jié)構(gòu)形式電路功能16按器件結(jié)構(gòu)類型分類雙極集成電路：主要由雙極晶體管構(gòu)成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構(gòu)成NMOSPMOSCMOS(互補MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路，綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復(fù)雜優(yōu)點是速度

4、高、驅(qū)動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高17按集成電路規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(Small Scale IC，SSI)中規(guī)模集成電路(Medium Scale IC，MSI)大規(guī)模集成電路(Large Scale IC，LSI)超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale IC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale IC，GSI）1819在新技術(shù)的推動下，集成電路自發(fā)明以來四十年，集成電路芯片的集成度每三年

5、提高4倍，而加工特征尺寸縮小 倍。這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore博士1965年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。微電子技術(shù)發(fā)展的ROADMAP20按結(jié)構(gòu)形式的分類單片集成電路：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的集成電路在半導(dǎo)體集成電路中最常用的半導(dǎo)體材料是硅，除此之外還有GaAs等混合集成電路：厚膜集成電路薄膜集成電路21按電路功能分類數(shù)字集成電路(Digital IC)：它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路模擬集成電路(Analog IC)：它是指處理模擬信號(連續(xù)變化的信號)的集成電路線性集成電路

6、：又叫做放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等非線性集成電路：如振蕩器、定時器等電路數(shù)?；旌霞呻娐?Digital - Analog IC) ：例如數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器等22三、微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來231947年12月23日第一個晶體管NPN Ge晶體管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain獲得1956年Nobel物理獎24251958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎26集成電路發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技術(shù) 現(xiàn)在

7、集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S. Sze 非揮發(fā)存儲器1968年Dennard單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器計算機的心臟微處理器、互聯(lián)網(wǎng)和智能軟件是21世紀(jì)改變?nèi)祟惿鐣徒?jīng)濟(jì)的三大技術(shù)創(chuàng)新27第一個CPU：400428Pentium III CPU芯片29微處理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010導(dǎo)入期MooresLaw成熟期3090nm處理器工藝制造Athlon 64雙核心的Athlon 6431

8、32AMD的Fab 36生產(chǎn)線一角位于Dresden的Fab 3033微電子技術(shù)是60年來發(fā)展最快的技術(shù)微電子技術(shù)的進(jìn)步按此比率下降，小汽車價格不到1美分34產(chǎn)業(yè)格局與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)集成電路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生產(chǎn)出來。集成電路芯片價格：101 102美元生產(chǎn)線的投資： 109美元 （8”、0.25微米）要想贏利：年產(chǎn)量108集成電路芯片是整機高附加值的倍增器，但不是最終產(chǎn)品，如果不能在整機和系統(tǒng)中應(yīng)用，那它就沒有價值和高附加值。決定集成電路產(chǎn)業(yè)的建設(shè)必須首先考慮整機和系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，即市場的需求。35集成電路芯片生產(chǎn)廠大致上可分為三類通用電路生產(chǎn)廠，典型生產(chǎn)存儲器和CPU集成

9、器件制造商(IDMIntegrated Device Manufactory Co.), 產(chǎn)品主要用于自己的整機和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工藝加工廠或稱代客加工廠，即FoundryFoundry名詞來源于加工廠的鑄造車間，無自己產(chǎn)品 優(yōu)良的加工技術(shù)(包括設(shè)計和制造)及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)為客戶提供加工服務(wù)客戶群初期多為沒有生產(chǎn)線的設(shè)計公司，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在許多IDM公司也將相當(dāng)多的業(yè)務(wù)交給Foundry加工36集成電路：電子信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)我國集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時期未來十年將是我國微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時期億元年中國集成電路產(chǎn)業(yè)的累計投資額37四、集成電路對人類社會的巨大作用38社會的各個部分通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連

10、接成一個整體，由高速大容量光纖和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶傳送信息，從而使社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計算機或通訊機，它們的基礎(chǔ)都是集成電路。集成電路：信息社會發(fā)展的基石39第一臺通用電子計算機：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,000個電子管組成大小：長24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140KW；平均無故障運行時間：7min401946年第一臺計算機：

11、ENIAC當(dāng)時有的科學(xué)家認(rèn)為全世界只要4臺ENIAC目前，全世界計算機不包括微機在內(nèi)有幾百萬臺，微機總量約6億臺，每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量41集成電路的作用小型化價格急劇下降功耗降低故障率降低42集成電路1 2元電子產(chǎn)品10元國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值100元集成電路的戰(zhàn)略地位首先表現(xiàn)在當(dāng)代國民經(jīng)濟(jì)的“食物鏈”關(guān)系進(jìn)入信息化社會的判據(jù)：半導(dǎo)體產(chǎn)值占工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的0.5%43據(jù)美國半導(dǎo)體協(xié)會（SIA）預(yù)測 電子信息服務(wù)業(yè) 30萬億美元相當(dāng)于1997年全世界GDP總和電子裝備 6-8萬億元集成電路產(chǎn)值1萬億美元GDP50萬億美元2012年44其次，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)達(dá)國家在發(fā)展過程中都有一

12、條規(guī)律集成電路（IC）產(chǎn)值的增長率（RIC）高于電子工業(yè)產(chǎn)值的增長率（REI）電子工業(yè)產(chǎn)值的增長率又高于GDP的增長率（RGDP）一般有一個近似的關(guān)系 RIC1.52REI REI3RGDP45 RIC1.7REI REI3RGNP15%9%3%From S.M.SZE46世界GDP增長與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長情況比較 抓住集成電路產(chǎn)業(yè)，就能促進(jìn)GDP高速增長471985-1990年間世界半導(dǎo)體商品市場份額日本公司美國公司39%37.9%51.4%50%人均IC產(chǎn)值年增長率 人均電子工業(yè)年增長率 人均GNP年增長率 日本美國 日本美國 日本美國2.2%1.1%0.1% 80年代后期-90年代初美

13、國采取了一系列增強微電子技術(shù)創(chuàng)新和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的措施，重新奪回領(lǐng)先地位。90年代以來美國經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)高速增長主要得益于信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而其基礎(chǔ)是集成電路產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新。例子48我國IT企業(yè)與Intel公司利潤的比較同樣，TI公司的技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字信號處理器（DSP）使它的利潤率比諾基亞高出10個百分點。49如果我們不發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)IT行業(yè)停留在裝配業(yè)水平上，掙的“辛苦錢”。在國際分工中我們將只能處于低附加值的低端上。在沒有自己集成電路產(chǎn)業(yè)的情況下，我們的高新技術(shù)的發(fā)展命脈掌握在他人手中。當(dāng)前，微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。50幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微

14、電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春全國各行業(yè)的風(fēng)機、水泵的總耗電量約占了全國發(fā)電量的30%，僅僅對風(fēng)機、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，每年即可節(jié)電500億度以上，相當(dāng)于三個葛洲壩電站的發(fā)電量(157億度/年)對白熾燈進(jìn)行高效節(jié)能改造，并假設(shè)推廣應(yīng)用30%，所節(jié)省的電能相當(dāng)于三座大亞彎核電站的發(fā)電量(139億度/年)集成電路對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用51電子裝備更新?lián)Q代都基于微電子技術(shù)的進(jìn)步，其靈巧（Smart）的程度都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度 數(shù)控機床普通機床數(shù)字化技術(shù)改造價格相差10倍集成電路整機系統(tǒng)高附加值在成長期進(jìn)入市場，增強市

15、場競爭力52集成電路對國家安全與國防建設(shè)的作用武器裝備水平與社會生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)有密切關(guān)系在農(nóng)業(yè)社會：大刀長矛等冷兵器；在工業(yè)化社會：槍、炮等熱兵器信息化社會： IC成為武器的一個組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)5354集成電路對信息社會的重要性INTERNET基礎(chǔ)設(shè)施各種各樣的網(wǎng)絡(luò)：電纜、光纖(光電子)、無線 .路由和交換技術(shù)：路由器、交換機、防火墻、網(wǎng)關(guān) .終端設(shè)備：PC、NetPC、WebTV .網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE .INTERNET服務(wù)信息服務(wù): 極其大量的各種信息交易服務(wù): 高可靠、高保密 .計算服務(wù): “網(wǎng)絡(luò)就是計算機 !”, “計算機成了網(wǎng)絡(luò)的外部設(shè)備 !”552020年世界最大的30個市場領(lǐng)域：其中與集成電路相關(guān)的22個市場：5萬億美元集成電路產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重要性56結(jié)束語5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器時代 35000年銅器時代 1800年鐵器時代 3200年硅器時代XX 年？3000BC 1200BC 1968572000年：以集成