集成電路技術(shù)及其發(fā)展趨勢

物理與水電工程系物理學(xué)專業(yè)10級畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）集成電路技術(shù)及其發(fā)展趨勢摘要目前，以集成電路為核心的電子產(chǎn)業(yè)已超過以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)字時(shí)代的強(qiáng)大引擎和雄厚基石。作為當(dāng)今世界競爭的焦點(diǎn)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、社會進(jìn)步的基礎(chǔ)、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。關(guān)鍵詞集成電路系統(tǒng)集成晶體管數(shù)字技術(shù)第一章緒論1947年12月16日，基于JohnBardeen提出的表面態(tài)理論、WillianmShockley給出的放大器基本設(shè)想以及WalterBrattain設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室第一次觀測到具有放大作用的晶體管。1958年12月12日，美國德州儀器公司的JackS.Kilby發(fā)明了全世界第一片集成電路。這兩項(xiàng)發(fā)明為微電子技術(shù)奠定了重要的里程碑，使人類社會進(jìn)入到一個以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)、以集成電路為根本的信息時(shí)代。50多年來，集成電路已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事、民用各行各業(yè)、各個領(lǐng)域的各種電子設(shè)備中，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、DVD、電視、汽車、醫(yī)療設(shè)備、辦公電器、太空飛船、武器裝備等。集成電路的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志[1]?，F(xiàn)代社會是高度電子化的社會。在日常生活中，小到電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等電子產(chǎn)品，大到航空航天、星際飛行、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的大型設(shè)備，幾乎都離不開電路系統(tǒng)的應(yīng)用。構(gòu)成電路系統(tǒng)的基本元素為電阻、電容、晶體管等元器件。早期的電路系統(tǒng)是將分立的元器件按照電路要求，在印刷電路板上通過導(dǎo)線連接實(shí)現(xiàn)的。由于分立元件的尺寸限制，在一塊印刷電路板上可容納的元器件數(shù)量有限。因此，由分立元器件在印刷電路板上構(gòu)成的電路系統(tǒng)的規(guī)模受到限制。同時(shí)，這種電路還存在體積大、可靠性低及功耗高等問題。半導(dǎo)體集成電路是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，按照一定的電路規(guī)則，互連“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上。封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定的電路或系統(tǒng)功能。與印刷電路板上電路系統(tǒng)的集成不同，在半導(dǎo)體集成電路中，構(gòu)成電路系統(tǒng)的所有元器件及其連線是制作在同一塊半導(dǎo)體材料上的，材料、工藝、器件、電路、系統(tǒng)、算法等知識的有機(jī)“集成”，使得電路系統(tǒng)在規(guī)模、速度、可靠性和功耗等性能上具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于日常生活中。半導(dǎo)體集成電路技術(shù)推動了電子產(chǎn)品的小型化、信息化和智能化進(jìn)程。它徹底改變了人類的生活方式，成為支撐現(xiàn)代化發(fā)展的基石[2]。1959年，英特爾(Intel)的始創(chuàng)人，JeanHoerni和RobertNoyce，在FairchildSemiconductor開發(fā)出一種嶄新的平面科技，令人們能在硅威化表面鋪上不同的物料來制作晶體管，以及在連接處鋪上一層氧化物作保護(hù)。這項(xiàng)技術(shù)上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代鍺使集成電路的成本大為下降，令集成電路商品化變得可行。由集成電路制成的電子儀器從此大行其道，到二十世紀(jì)60年代末期，接近九成的電子儀器

是以集成電路制成。時(shí)至今日，每一枚計(jì)算機(jī)芯片中都含有過百萬顆晶體管。里程碑式的發(fā)明。1974年，RCA公司推出第一個CMOS微處理器1802。1976年，16KBDRAM和4KBSRAM問世。1978年，64KB動態(tài)隨機(jī)存儲器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個晶體管，標(biāo)志著超大規(guī)模集成電路（VLSI）時(shí)代的來臨。1979年，Intel推出5MHz8088微處理器，之后，IBM基于8088推出全球第一臺PC。1981年，256KBDRAM和64KBCMOSSRAM問世。1985年，80386微處理器問世，20MHz。1988年，16MBDRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入超大規(guī)模集成電路（VLSI）階段。1989年，1MBDRAM進(jìn)入市場。1989年，486微處理器推出，25MHz，1μm工藝，后來50MHz芯片采用0.8μm工藝。1992年，64Mb位隨機(jī)存儲器問世。1993年，66MHz奔騰處理器推出，采用0.6μm工藝。1995年，PentiumPro，133MHz，采用0.6～0.35μm工藝。1997年，300MHz奔騰Ⅱ問世，采用0.25μm工藝。1999年，奔騰Ⅲ問世，450MHz，采用0.25μm工藝，后采用0.18μm工藝。2000年，1GBRAM投放市場。2000年，奔騰4問世，1.5GHz，采用0.18μm工藝。2001年，Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工藝。2004年，奔騰4E系列推出，采用90nm工藝。2005年，intel推出基于65nm工藝的微處理器。2007年，基于全新45納米工藝的新處理器問世。2009年，IBM聯(lián)盟展示了一塊線寬為22nm的超紫外線光刻檢測芯片，表明集成電路工藝已進(jìn)入22nm時(shí)代，并向15nm進(jìn)軍。（二）我國集成電路的發(fā)展歷史我國集成電路產(chǎn)業(yè)誕生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了以下幾個個發(fā)展階段：1.1965～1978年以計(jì)算機(jī)和軍工配套為目標(biāo)，以開發(fā)邏輯電路為主要產(chǎn)品，初步建立集成電路工業(yè)基礎(chǔ)及相關(guān)設(shè)備、儀器、材料的配套條件.2.1978～1990年主要引進(jìn)美國二手設(shè)備，改善集成電路裝備水平，在“治散治亂”的同時(shí)，以消費(fèi)類整機(jī)作為配套重點(diǎn)，較好地解決了彩電集成電路的國產(chǎn)化。3.1990～2000年以908工程、909工程為重點(diǎn)，以CAD為突破口，抓好科技攻關(guān)和北方科研開發(fā)基地的建設(shè)，為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，集成電路行業(yè)取得了新的發(fā)展。4.2000～2005年“十·五”期間，我國集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展最快的歷史階段。截止到2001年12月29日，科技部依次批準(zhǔn)上海、西安、無錫、北京、成都、杭州、深圳7個國家級IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地。2003年7月，教育部、科技部發(fā)文批準(zhǔn)清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)九所大學(xué)為首批國家集成電路人才培養(yǎng)基地的建設(shè)單位。2004年8月，教育部又批準(zhǔn)北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華南理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)六所高校為國家集成電路人才培養(yǎng)基地的建設(shè)單位。國家集成電路人才培養(yǎng)基地的建設(shè)目標(biāo)是通過6～8年的努力，培養(yǎng)4萬名集成電路設(shè)計(jì)人才和1萬名集成電路工藝人才。二、集成電路的分類自1958年第一塊集成電路問世以來，集成電路取得了巨大的發(fā)展，形成了各種各樣、門類繁多的產(chǎn)品，下面以硅基IC為例進(jìn)行分類說明。1.按功能和結(jié)構(gòu)分類集成電路按其功能和結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)?；旌霞呻娐啡箢?。模擬集成電路又稱線性電路，是用來處理各種連續(xù)變化的模擬信號的集成電路，如運(yùn)算放大器（用于放大信號）、模擬濾波器等，其輸入信號和輸出信號均為模擬信號。而數(shù)字集成電路是對各種數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算和處理的集成電路，例如CPu（微處理器）、存儲器、DSP（數(shù)字信號處理器）等。數(shù)?；旌霞呻娐芳劝瑪?shù)字電路，又包含模擬電路，隨著集成電路集成度和功能的增加，數(shù)模混合集成電路將成為今后集成電路的主力軍。2.按制作工藝分類集成電路按集成工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路。膜集成電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。集成電路按半導(dǎo)體制造工藝可分為雙極型工藝（BipolarTechnology）、CMOS工藝（能夠在同一芯片上制作NMOS和PMOS器件的工藝）、BiCMOS工藝（能夠在同一芯片上制作Bipolar和CMOS器件的工藝）、BCD工藝（能夠在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件的工藝）等。3.按集成度高低分類所謂集成電路的集成度，就是指單塊芯片上所容納的元件數(shù)目。集成度越高，所容納的元件越多。半導(dǎo)體集成電路按集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路(SmallScaleIntegratedcircuits，SSI)、中規(guī)模集成電路(MediumScaleIntegratedcircuits，MSI)、大規(guī)模集成電路(LargeScaleIntegratedcircuits，LSI)、超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIntegratedcircuits，VLSI)、uLSI特大規(guī)模集成電路(ultraLargeScaleIntegratedcircuits)、巨大規(guī)模集成電路也被稱作極大規(guī)模集成電路或超特大規(guī)模集成電路(GigaScaleIntegration，GSI)。4.按應(yīng)用領(lǐng)域分類集成電路按應(yīng)用領(lǐng)域可分為標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路和專用集成電路。所謂專用集成電路，籠統(tǒng)來說，就是指為了某種或某些特定用途而為特定用戶定制的IC，如微型芯片、某種玩具里的控制芯片、某電源的管理芯片等；不屬于專用集成電路的標(biāo)準(zhǔn)件的IC就是通用IC，如商用ROM、DRAM、SRAM、CPu等。5.按外形分類集成電路按外形可分為圓形（金屬外殼晶體管封裝型，一般適合用于大功率器件）、扁平型（穩(wěn)定性好，體積小，一般適合用于大功率器件）、雙列直插型（適合于典型集成電路）和方形陣列型（適合于超大規(guī)模集成電路）。三、集成電路工藝水平指標(biāo)集成電路作為一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，重要程度日益突出。集成電路的設(shè)計(jì)與加工制造能力，尤其是工藝技術(shù)水平，決定了一個國家的集成電路產(chǎn)業(yè)水平。通常衡量IC工藝水平的指標(biāo)包括以下五個方面。1.集成度集成度是指一個IC芯片上所能包含的晶體管個數(shù)。集成度越高表明相同芯片面積集成的元件數(shù)越多、電路功能越強(qiáng)大，同時(shí)芯片速度和可靠性更高，功耗更低，體積、重量和成本下降，從而提高了性能/價(jià)格比，因此集成度是IC技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。為了提高集成度采取了增大芯片面積、縮小器件特征尺寸、改進(jìn)電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施。為了節(jié)省芯片面積普遍采用了多層布線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已達(dá)到9～19層金屬布線。晶片集成和三維集成技術(shù)也正在研究開發(fā)。正因?yàn)榧啥鹊牟粩嗵岣?，集成電路已進(jìn)入系統(tǒng)集成或片上系統(tǒng)的時(shí)代。2.特征尺寸特征尺寸定義為器件中最小線條寬度（對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度），也可定義為最小線條寬度與線條間距之和的一半。減小特征尺寸是提高集成度、改進(jìn)器件性能的關(guān)鍵。特征尺寸的減小主要取決于光刻技術(shù)的改進(jìn)。集成電路的特征尺寸向深亞微米發(fā)展，目前的規(guī)?；a(chǎn)是0.18um、0.15um、0.13um工藝，而90nm和65nm的成熟產(chǎn)品已進(jìn)入市場。3.晶片直徑為了提高集成度，可適當(dāng)增大芯片面積。然而，芯片面積的增大導(dǎo)致每個圓片內(nèi)包含的芯片數(shù)減少，從而使生產(chǎn)效率降低，成本提高。采用更大直徑的晶片可解決這一問題。當(dāng)前的主流晶圓的尺寸為8英寸和12英寸，正在向14英寸晶圓邁進(jìn)。4.芯片面積隨著集成度的提高，每顆芯片芯片所包含的晶體管數(shù)不斷增多，平均芯片面積也隨之增大。芯片面積的增大也帶來一系列新的問題，如大芯片封裝技術(shù)、成品率以及由每個大圓片所包含芯片數(shù)減少而引起的生產(chǎn)效率降低等。當(dāng)然，隨著封裝技術(shù)和集成工藝的不斷改進(jìn)，上述問題總會得到解決。5.封裝IC的封裝最初采用插孔封裝形式。為適應(yīng)電子設(shè)備高密度組裝的要求，表面安裝封裝技術(shù)已廣泛應(yīng)用。在電子設(shè)備中使用表面安裝封裝的優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省空間、改進(jìn)性能和降低成本，表面安裝封裝不僅體積小而且可以安裝在印刷電路板的兩面，是電路板的費(fèi)用降低60%，并使性能得到改進(jìn)。近幾年系統(tǒng)級封裝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，SiP能最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)性能、避免重復(fù)封裝、縮短開發(fā)周期、降低成本、提高集成度。目前SiP主要用于低成本、小面積、高頻高速，以及生產(chǎn)周期短的電子產(chǎn)品上，如功率放大器、全球定位系統(tǒng)、藍(lán)牙模塊、影像感測模塊、記憶卡等便攜式產(chǎn)品市場。四、集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀（一）世界集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀90年代ASIC、uLSI和巨大規(guī)模集成GSI等代表更高技術(shù)水平的IC不斷涌現(xiàn)，并成為IC應(yīng)用的主流產(chǎn)品。1GDRAM(芯片面積700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直徑200mm)，2000年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2004年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。集成電路的規(guī)模不斷提高，CPu(P4)己超過4000萬晶體管，DRAM已達(dá)Gb規(guī)模。集成電路的速度不斷提高，采用0.13μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的CPu主時(shí)鐘已超過2GHz，實(shí)現(xiàn)的超高速數(shù)字電路速率已超過10Gb/s，射頻電路的最高工作頻率已超過6GHz。由于集成電路器件制造能力按每3年翻兩番，即每年58％的速度提升，而電路設(shè)計(jì)能力每年只以21％的速度提升，電路設(shè)計(jì)能力明顯落后于器件制造能力，且其鴻溝(gap)呈現(xiàn)越來越變寬的趨勢。工藝線建設(shè)投資費(fèi)用越來越高。目前一條8英寸0.35μm工藝線的投資約20億美元，但在幾年內(nèi)一條12英寸0.09μm工藝線的投資將超過100億美元。如此巨額投資已非單獨(dú)一個公司，甚至一個發(fā)展中國家所能單獨(dú)負(fù)擔(dān)的。21世紀(jì)集成電路復(fù)雜度不斷增加，系統(tǒng)芯片或稱芯片系統(tǒng)SoC(System-on-Chip)成為開發(fā)目標(biāo)、納米器件與電路等領(lǐng)域的研究已展開。英特爾曾于2003年11月底展示了首個能工作的65納米制程的硅片，Intel公司2004年8月宣布，他們已經(jīng)采用65納米，生產(chǎn)出了70Mbit的SRAM。并計(jì)劃于2005年正式進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。使用65納米制程生產(chǎn)的芯片中門電路的數(shù)目是90納米制程的1/3。SRAM（靜態(tài)存儲器）將用于高速的存儲設(shè)備，處理器中非常重要的緩存就是采用SRAM。Intel表示，通過采用第二代應(yīng)變硅技術(shù)（應(yīng)變硅技術(shù)是一種對晶體管溝道部分的硅施加應(yīng)力使其變形，以此提高載流子遷移率的技術(shù)。借由加大硅原子間彼此的距離，電子便能夠更加迅速地運(yùn)行。而電子的運(yùn)行速度越快，處理器的性能就越好。）可以將晶體管的性能提升了10%~15%，與90納米工藝制造的晶體管相比，65納米制程晶體管可以在同樣的性能下減少4倍的漏電電流。未來將會有越來越多的產(chǎn)品采用65納米工藝Intel公司2004年底宣布首次成功開發(fā)出15納米的晶體管。Intel的15納米晶體管基于CMOS工藝，工作電壓為0.8伏，每秒可進(jìn)行2.63萬億次開關(guān)轉(zhuǎn)換。Intel計(jì)劃在2009年開發(fā)出基于15納米晶體管的芯片，到時(shí)該公司開發(fā)出的處理器將達(dá)到20GHz甚至更高。（二）我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀1.產(chǎn)業(yè)規(guī)模目前，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)，由8個芯片生產(chǎn)骨干企業(yè)、十幾個封裝廠、幾十家設(shè)計(jì)公司、若干個關(guān)鍵材料及專用設(shè)備儀器制造廠組成的產(chǎn)業(yè)群體初步形成，電路設(shè)計(jì)、芯片制造和電路封裝三業(yè)并舉，在地域上呈現(xiàn)相對集中的局勢（蘇浙滬、京津、粵閩地區(qū)）。2000年，我國集成電路產(chǎn)量為58.8億塊，與1999年相比，增長了41.7%，銷售額近200億元，增長75%，出口集成電路47.8億塊，出口金額19.8億美元。2.設(shè)計(jì)業(yè)2000年，除獨(dú)資公司外，我國集成電路設(shè)計(jì)公司的營銷收入超過5億元，其中營業(yè)收入過億元的公司已有4家（華大、矽科、大唐微電子和士蘭公司），銷售額超過1000萬元的約10家。我國年設(shè)計(jì)能力超過300種，以SRAM存儲器為主的電路設(shè)計(jì)門數(shù)達(dá)到200萬門，以邏輯電路為主的電路設(shè)計(jì)門數(shù)達(dá)到50萬門。最高設(shè)計(jì)水平為0.25微米，主流設(shè)計(jì)技術(shù)在0.8-1.5微米之間。3.芯片制造業(yè)目前，我國集成電路芯片制造主要采用5～6英寸硅片、0.8～1微米技術(shù)。上海華虹NEC電子有限公司8英寸芯片生產(chǎn)線的建成投產(chǎn)，使我國集成電路生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到0.25微米的深亞微米技術(shù)水平。7個主干企業(yè)生產(chǎn)線的月投片量已超過17萬片，其中6～8英寸大圓片的產(chǎn)量占了33%以上。投片量最大的上海先進(jìn)半導(dǎo)體公司和上海華虹NEC公司已達(dá)到月投20000片。4.封裝業(yè)2000年，我國集成電路封裝業(yè)的銷售收入超過130億元，其中銷售收入超過1億元的有14家，全年封裝電路近45億塊，其中年封裝量超過5億塊的有5家。其中，Intel科技（中國）公司年封裝量為12.5億塊，年銷售額為33.5億元；金朋（上海）公司年封裝量為10.3億塊，年銷售額為25.2億元；深圳賽意法微電子公司年封裝量為8.06億塊，年銷售額為3.6億元；江蘇長電科技公司年