微電子制造概論-第1章-緒論

微電子學(xué)概論第一章緒論1參考書《微電子學(xué)概論》：張興/黃如/劉曉彥，北京大學(xué)出版社《半導(dǎo)體器件物理與工藝》，施敏，科學(xué)出版社2本課程的目的什么是微電子和微電子制造是什么對微電子的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來有一個比較清晰的認(rèn)識初步掌握半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝、集成電路設(shè)計、MEMS技術(shù)等基本概念，對微電子設(shè)計和制造的整體有一個比較全面的認(rèn)識3主要內(nèi)容微電子技術(shù)簡介半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)集成電路制造工藝集成電路設(shè)計幾類重要的特種微電子器件微機電系統(tǒng)微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律和趨勢

4第一章

緒論5緒論什么是微電子學(xué)晶體管的發(fā)明集成電路的發(fā)展歷史集成電路的分類微電子學(xué)的特點6電子學(xué)微電子學(xué)7微電子學(xué)：Microelectronics微電子學(xué)——微型電子學(xué)核心——集成電路8集成電路：IntegratedCircuit，縮寫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9封裝好的集成電路10集成電路集成電路的內(nèi)部電路VddABOut11

硅單晶片與加工好的硅片12集成電路芯片的顯微照片1364MSDRAM（華虹NEC生產(chǎn)）芯片面積5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1個IC中含有1.34億只晶體管14集成電路的內(nèi)部單元15溝道長度為0.15微米的晶體管柵長為90納米的柵圖形照片16

50m100m頭發(fā)絲粗細(xì)

30m1m1m(晶體管的大小)30~50m(皮膚細(xì)胞的大小)90年代生產(chǎn)的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17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18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From吉利久教授是功能要求行為設(shè)計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表時序仿真布局布線——版圖后仿真否是否否是Singoff—設(shè)計業(yè)—19—制造業(yè)—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AA20封裝好的集成電路—封裝與測試業(yè)—21微電子科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略地位22自然界和人類社會的一切活動都在產(chǎn)生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，是人類社會、經(jīng)濟活動的重要資源。社會的各個部分通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接成一個整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。微電子：信息社會發(fā)展的基石23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和/或通訊機，它們的基礎(chǔ)都是微電子1946年第一臺計算機：ENIAC24第一臺通用電子計算機：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000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：7min25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和/或通訊機，它們的基礎(chǔ)都是微電子1946年第一臺計算機：ENIAC這樣的計算機能夠進入辦公室、車間、連隊和家庭？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26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27集成電路1~2元電子產(chǎn)品10元國民經(jīng)濟產(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)濟的“食物鏈”關(guān)系進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%28據(jù)美國半導(dǎo)體協(xié)會（SIA）

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GDP≈50萬億美元2012年29其次，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)達國家在發(fā)展過程中都有一條規(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

RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP30根據(jù)IMFRIC≈1.7REIREI≈3RGNP15%9%3%FromS.M.SZE31世界GDP增長與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長情況比較（資料來源：ICE商業(yè)部）

抓住集成電路產(chǎn)業(yè)，就能促進GDP高速增長321985-1990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。兩個例子33市場變化—日本市場縮減—市場份額90年代日本經(jīng)濟蕭條的同時，集成電路市場份額嚴(yán)重下降。34我國臺灣地區(qū)60年代后期人均GDP—200-300美元（1967年為267美元）70-80年代大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)90年代IT業(yè)高速發(fā)展97年人均GDP=13559美元35在信息經(jīng)濟時代，產(chǎn)品，以其信息含量的多少及處理信息能力的強弱，決定著附加值的高低決定著在國際經(jīng)濟分工中的地位36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。37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。所以有人戲稱說：“你們說中關(guān)村是硅谷，但是一個無“芯”的硅谷，產(chǎn)品不可能有競爭力?！痹跊]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。38幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進行智能改造，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)微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用39電子裝備更新?lián)Q代都基于微電子技術(shù)的進步，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入市場，增強市場競爭力微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用40沒有微電子的電子工業(yè)只能是勞動密集型的組裝業(yè)，不能形成高附加值的知識經(jīng)濟，中國的硅谷將是無芯的硅谷41微電子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)42微電子對國家安全與國防建設(shè)的作用43微電子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!”442020年世界最大的30個市場領(lǐng)域：其中與微電子相關(guān)的22個市場：5萬億美元（NikkeiBusiness1999）微電子產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重要性45微電子科學(xué)技術(shù)的

發(fā)展歷史461947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎471958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48微電子發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技術(shù)現(xiàn)在集成電路產(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——計算機的心臟目前全世界微機總量約6億臺，在美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量。美國歐特泰克公司認(rèn)為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀(jì)改變?nèi)祟惿鐣徒?jīng)濟的三大技術(shù)創(chuàng)新49第一個CPU：400450PentiumIIICPU芯片51不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小倍，這就是摩爾定律微電子發(fā)展的規(guī)律52基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力。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GordonE.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ROADMAP53微處理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002010導(dǎo)入期Moore’s

Law成熟期54集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)微電子技術(shù)的進步按此比率下降，小汽車價格不到1美分FromS.M.SZE55集成電路市場和

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律市場及其發(fā)展規(guī)律產(chǎn)業(yè)格局與結(jié)構(gòu)Foundry建設(shè)5630多年來，集成電路市場的成長迅速，基本上是一條指數(shù)發(fā)展規(guī)律。資料來源：WSTS.00/5制圖:黃逸平、Mabel市場及其發(fā)展規(guī)律57同時，集成電路市場又是高度變動的,約十年為一個漲落周期。58第一個周期(1975-1984，CAGR=20.4%):電腦和消費類電子;4和5;產(chǎn)值在幾百億美元國防工業(yè)、工作站、大型第二個周期(1985-1995，CAGR=20.8%):中小型電腦、PC機；8

；產(chǎn)值突破1000億美元第三個周期(1996-2005，CAGR=15.6%):除PC機外，網(wǎng)絡(luò)和通訊裝備，特別是移動通訊裝備;8和12;產(chǎn)值3000億美元591998-2003年世界及四大市場IC增長率和份額統(tǒng)計/預(yù)測表市場增長率亞太地區(qū)第一市場份額亞太地區(qū)僅次于美國6021世紀(jì)，要求移動處理信息，隨時隨地獲取信息、處理信息成為把握先機而制勝的武器。如果前20年P(guān)C是集成電路發(fā)展的驅(qū)動器的話，后20年除PC要繼續(xù)發(fā)展外，主要驅(qū)動器應(yīng)該是與Internet結(jié)合的可移動（Mobile)、袖珍的（Portable)實時信息處理設(shè)備。核心電路是數(shù)字信號處理器（DSP-DigitalSignalProcessor)61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62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集成器件制造商(IDM—IntegratedDeviceManufactoryCo.),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63資料來源：Digitimes整理2000/制圖：李柏毅、Mabel前兩類廠家，IDM與整機、系統(tǒng)用戶相結(jié)合，相對分散設(shè)計；以標(biāo)準(zhǔn)工藝（標(biāo)準(zhǔn)單元庫和IP庫）為接口，相對集中加工。這就導(dǎo)致了FablessCo.和Foundry的出現(xiàn)。IP模塊和ChiplessCo.出現(xiàn)~19801980~1990集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是市場牽引和技術(shù)推動的結(jié)果。不同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可以有不同的形式IC(IDM)制造商通用電路制造商64集成電路設(shè)計滯后現(xiàn)象0.010.11101980198519901995200020052010微米芯片復(fù)雜度柵長58%/年20%/人年設(shè)計產(chǎn)率差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成電路設(shè)計能力增長不能跟上芯片復(fù)雜度的增長速率65資料來源：Digitimes整理2000/制圖：李柏毅、Mabel前兩類廠家，IDM與整機、系統(tǒng)用戶相結(jié)合，相對分散設(shè)計；以標(biāo)準(zhǔn)工藝（標(biāo)準(zhǔn)單元庫和IP庫）為接口，相對集中加工。這就導(dǎo)致了FablessCo.和Foundry的出現(xiàn)。IP模塊和ChiplessCo.出現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是市場牽引和技術(shù)推動的結(jié)果。不同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可以有不同的形式IC(IDM)制造商通用電路制造商IP：知識產(chǎn)權(quán)(IntellectualProperty)~19801980~199066Foundry功能要求行為級多工藝模塊p、DSP、E2PROM&Flash、A/D、D/AWafer級封裝后成品級邏輯級版圖級MASK研究開發(fā)支持Foundry建設(shè)Foundry的建設(shè)必須采用系統(tǒng)工程的方法基本特征：67隨技術(shù)進步，建廠費用呈指數(shù)增加，這時必然出現(xiàn)兩種趨向：各相關(guān)公司聯(lián)合建廠IBM、Infineon與UMC的聯(lián)合將更多業(yè)務(wù)交給Foundry，降低成本Motorola已經(jīng)表示到2001年，將有50%以上的產(chǎn)能需從外部提供日本Kawasaki公司取消他們計劃建設(shè)的0.18m的工廠，代之以與Foundry的合作682000年Foundry業(yè)務(wù)地區(qū)分布（SemicoResearchCorp.,2-2000,counrtesyofAmkorWaferFabricationServices）69Foundry類加工芯片數(shù)量占世界集成電路芯片總產(chǎn)量的比例（資料來源：Dataquest）因此美國著名的預(yù)測與咨詢公司Dataguest：

未來屬于Foundry70我國微電子

發(fā)展概況71我國微電子學(xué)的歷史1956年5所學(xué)校在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導(dǎo)體專業(yè)北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東北人民大學(xué)、廈門大學(xué)、南京大學(xué)1977年在北京大學(xué)誕生第一塊大規(guī)模集成電路72我國微電子學(xué)的歷史1982年，成立電子計算機和大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組80年代：初步形成三業(yè)分離的狀態(tài)制造業(yè)設(shè)計業(yè)封裝業(yè)73我國年微電子發(fā)展展望我國IC骨干企業(yè)地區(qū)分布及銷售情況74我國年微電子發(fā)展展望上海IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)

到2010年總投資量600億美元，建成20~40條生產(chǎn)線，200個設(shè)計公司及20家封裝/測試廠帶動上海700億美元相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，成為第一大產(chǎn)業(yè)75我國年微電子發(fā)展展望北京10~20條集成電路生產(chǎn)線零地租政府跟進投資天津深圳76微電子：電子信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)我國微電子產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展時期億元年中國集成電路產(chǎn)業(yè)的累計投資額數(shù)據(jù)來源：徐小田77未來十年將是我國微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時期我國年微電子發(fā)展展望78集成電路分類79集成電路分類集成電路的分類器件結(jié)構(gòu)類型集成電路規(guī)模使用的基片材料電路形式應(yīng)用領(lǐng)域80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8182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(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）8384基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力。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GordonE.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ROADMAP85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86按電路功能分類數(shù)字集成電路(DigitalIC)：它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進制方式進行數(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(AnalogIC)：它是指