1、物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）集成电路技术及其发展趋势摘 要 目前，以集成电路为核心的电子产业已超过以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。作为当今世界竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 关键词 集成电路 系统集成 晶体管 数字技术物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）第一章 绪论1947年 12月 16日，基于 John Bardeen提出的表面态理论、Willianm Shockley给出的放大器基本设想以及 Wal
2、ter Brattain设计的实验，美国贝尔实验室第一次观测到具有放大作用的晶体管。1958年 12月 12日，美国德州仪器公司的 Jack S.Kilby发明了全世界第一片集成电路。这两项发明为微电子技术奠定了重要的里程碑，使人类社会进入到一个以微电子技术为基础、以集成电路为根本的信息时代。50 多年来，集成电路已经广泛地应用于军事、民用各行各业、各个领域的各种电子设备中，如计算机、手机、DVD、电视、汽车、医疗设备、办公电器、太空飞船、武器装备等。集成电路的发展水平已经成为衡量一个国家现代化水平和综合实力的重要标志 1。现代社会是高度电子化的社会。在日常生活中，小到电视机、计算机、手机等电
3、子产品，大到航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输等行业的大型设备，几乎都离不开电路系统的应用。构成电路系统的基本元素为电阻、电容、晶体管等元器件。早期的电路系统是将分立的元器件按照电路要求，在印刷电路板上通过导线连接实现的。由于分立元件的尺寸限制，在一块印刷电路板上可容纳的元器件数量有限。因此，由分立元器件在印刷电路板上构成的电路系统的规模受到限制。同时，这种电路还存在体积大、可靠性低及功耗高等问题。半导体集成电路是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路规则，互连“集成”在一块半导体单晶片上。封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。与印
4、刷电路板上电路系统的集成不同，在半导体集成电路中，构成电路系统的所有元器件及其连线是制作在同一块半导体材料上的，材料、工艺、器件、电路、系统、算法等知识的有机“集成”，使得电路系统在规模、速度、可靠性和功耗等性能上具有不可比拟的优点，已经广泛的应用于日常生活中。半导体集成电路技术推动了电子产品的小型化、信息化和智能化进程。它彻底改变了人类的生活方式，成为支撑现代化发展的基石 2。1959年，英特尔(Intel)的始创人，Jean Hoerni 和 Robert Noyce，在 Fairchild Semiconductor开发出一种崭新的平面科技，令人们能在硅威化表面铺上不同的物料来制作晶体管
5、，以及在连接处铺上一层氧化物作保护。这项技术上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降，令集成电路商品化变得可行。由集成电路制成的电子仪器从此大行其道，到二十世纪 60年代末期，接近九成的电子仪器是以集成电路制成。时至今日，每一枚计算机芯片中都含有过百万颗晶体管。物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）3自 1961年起，世界电子业市场总市值由$29 亿增长至今时今日的$957 亿。更有报告指出电子业将会是廿一世纪最大的单项工业。电子业的增长有赖更新、更好的科技发展与突破，比如无线通讯、互联网和 DNA解碼。在往后的日子，随着半导体科技的发展，更多崭新的电子产
6、品将会陆续面世。可能在不久的将来，你已经可以利用手提电话与远方的亲友进行视像会议；你的妈妈可以在下班回家途中以电话遥控家中的微波炉去制作一顿丰富的晚餐；你的自动导航器为你驾车回家，而你则可利用这段时间为明天的会议稍作准备。在美国，已有公司提供网上电影院服务，你只要安坐家中，以互联网选择想观赏的电影，就可在家中的电视收看。这一切都似是科幻小说的情节，可是我们距离新科技的突破只有一步之遥，或许新的产品已经进入实验阶段，快要推出市面呢！可是，仍有不少问题妨碍集成电路的发展。首先，信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度；其次，集成电路运作时所产生的热量亦不容忽视。当大量集成电路组装在一组件时，假若不
7、能及时散热，便会出现电流失控；再者，现时集成电路所根据的原理，均是建基于经典物理学。可是当集成电路的体积日趋细小，终有一日会发展到由量子物理学所管辖的微观世界 3。随着集成电路技术的持续发展，不同类型的集成电路相互镶嵌，已形成了各种嵌入式系统(Embedded System) 和片上系统(System on Chip即 SoC) 技术。也就是说，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS) 的过渡中，可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成信息的加工与处理功能。SoC 作为系统级集成电路，它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和 I/O等功能，它将数字电路、存储器、M
8、Pu、MCu、DSP 等集成在一块芯片上，从而实现一个完整的系统功能。SoC 的制造主要涉及深亚微米技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式 IP核设计技术、测试策略和可测性技术以及软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC 以 IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，从而实现集成电路设计能力的飞跃，并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命。应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节，是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外，集成电路正在不断开拓新的应用领域。诸如微机电系统、微光机电系统、生物芯片(
9、如 DNA芯片)、超导等，这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点 4。物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）4第二章 集成电路所谓集成电路，是指采用半导体工艺，把一个电路中所需要的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的半导体晶片或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后封装在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构。一 、集成电路的发展史（一）世界集成电路的发展历史自从 20世纪 40年代，世界上第一个晶体管发明以来，人类历史就进入了一个以电子技术发展为标志的信息时代。晶体管的诞生，标志着人类历史开始进入半导体时代；集成电路的诞生，标志
10、着人类历史进入微电子时代；微处理器的诞生，标志着人类历史开始进入数字技术时代；第五代微处理器与互联网的诞生，标志着人类历史开始进入电子智能化与信息化时代。今天，电子电子与信息时代的发展史以集成电路的发展作为基石，因此我们有必要回顾集成电路的发展历史。1947年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑。1950年，结型晶体管诞生。1950年，奥耳和肖特莱发明了离子注入工艺。1951年，场效应晶体管发明。1956年，富勒发明了扩散工艺。1958年，仙童公司罗伯特诺伊斯与德仪公司基尔比，间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。1960年，卢耳和克里斯坦森发明
11、了外延生长工艺。1962年，美国 RCA公司研制出 MOS场效应晶体管。1963年，仙童半导体公司的 F.M.Wanlass和 C.T.Sah首次提出 CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于 CMOS工艺。1965年，仙童半导体公司的戈登摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每 18个月增加 1倍。 1966年，美国 RCA公司研制出 CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50 门）。1970年，斯皮勒和卡斯特兰尼发明光刻工艺。物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）51971年，Intel 推出 1KB动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现。1971年
12、，全球第一个微处理器 4004由 Intel公司推出，采用的是 MOS工艺，这是一个里程碑式的发明。1974年，RCA 公司推出第一个 CMOS微处理器 1802。1976年，16KB DRAM 和 4KB SRAM问世。1978年，64KB 动态随机存储器诞生，不足 0.5平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临。1979年，Intel 推出 5MHz 8088微处理器，之后，IBM 基于 8088推出全球第一台 PC。1981年，256KB DRAM 和 64KB CMOS SRAM问世。1985年，80386 微处理器问世，20MHz。1988
13、年，16MB DRAM问世，1 平方厘米大小的硅片上集成有 3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段。1989年，1MB DRAM 进入市场。1989年，486 微处理器推出，25MHz，1m 工艺，后来 50MHz芯片采用 0.8m 工艺。1992年，64Mb 位随机存储器问世。1993年，66MHz 奔腾处理器推出，采用 0.6m 工艺。1995年，Pentium Pro，133MHz，采用 0.60.35m 工艺。1997年，300MHz 奔腾问世，采用 0.25m 工艺。1999年，奔腾问世，450MHz，采用 0.25m 工艺，后采用 0.18m 工艺。2000
14、年，1GB RAM 投放市场。2000年，奔腾 4问世，1.5GHz，采用 0.18m 工艺。2001年，Intel 宣布 2001年下半年采用 0.13m 工艺。2004年，奔腾 4 E系列推出，采用 90nm工艺。2005年，intel 推出基于 65nm工艺的微处理器。2007年，基于全新 45纳米工艺的新处理器问世。2009年，IBM 联盟展示了一块线宽为 22nm的超紫外线光刻检测芯片，表明集成电路工艺已进入 22nm时代，并向 15nm进军。（二）我国集成电路的发展历史我国集成电路产业诞 生于 20世纪 60年代，经历了以下几个个发展阶段：1.19651978 年以计算机和军工配套
15、为目标，以开发逻辑电路为主要产品，初步建立集成电路工业基物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）6础及相关设备、仪器、材料的配套条件.2.19781990 年主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产化。3.19902000 年以 908工程、909 工程为重点，以 CAD为突破口，抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。4.20002005 年“十五”期间，我国集成电路产业进入发展最快的历史阶段。截止到 2001年 12月29日，科技部依次批准上海、西安、无锡、
16、北京、成都、杭州、深圳 7个国家级 IC设计产业化基地。2003 年 7月，教育部、科技部发文批准清华大学、北京大学、浙江大学、复旦大学、西安电子科技大学、上海交通大学、东南大学、电子科技大学、华中科技大学九所大学为首批国家集成电路人才培养基地的建设单位。2004 年 8月，教育部又批准北京航空航天大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、同济大学、华南理工大学和西北工业大学六所高校为国家集成电路人才培养基地的建设单位。国家集成电路人才培养基地的建设目标是通过 68 年的努力，培养 4万名集成电路设计人才和 1万名集成电路工艺人才。二、集成电路的分类自 1958年第一块集成电路问世以来，集成电路取得
17、了巨大的发展，形成了各种各样、门类繁多的产品，下面以硅基 IC为例进行分类说明。1. 按功能和结构分类集成电路按其功能和结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路，是用来处理各种连续变化的模拟信号的集成电路，如运算放大器（用于放大信号）、模拟滤波器等，其输入信号和输出信号均为模拟信号。而数字集成电路是对各种数字信号进行运算和处理的集成电路，例如 CPu（微处理器）、存储器、DSP（数字信号处理器）等。数模混合集成电路既包含数字电路，又包含模拟电路，随着集成电路集成度和功能的增加，数模混合集成电路将成为今后集成电路的主力军。2. 按制作工艺分
18、类集成电路按集成工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。集成电路按半导体制造工艺可分为双极型工艺（Bipolar Technology）、CMOS 工艺物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）7（能够在同一芯片上制作 NMOS和 PMOS器件的工艺）、BiCMOS 工艺（能够在同一芯片上制作 Bipolar和 CMOS器件的工艺）、BCD 工艺（能够在同一芯片上制作 Bipolar、CMOS 和DMOS器件的工艺）等。3. 按集成度高低分类所谓集成电路的集成度，就是指单块芯片上所容纳的元件数目。集成度越高，所容纳的元件越多。半导体集成电路按集
19、成度高低的不同可分为小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits，SSI)、中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits，MSI)、大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits，LSI)、超大规模集成电路 (Very Large Scale Integrated circuits，VLSI)、uLSI 特大规模集成电路(ultra Large Scale Integrated circuits)、巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integr
20、ation，GSI)。4. 按应用领域分类集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。所谓专用集成电路，笼统来说，就是指为了某种或某些特定用途而为特定用户定制的 IC，如微型芯片、某种玩具里的控制芯片、某电源的管理芯片等；不属于专用集成电路的标准件的 IC就是通用IC，如商用 ROM、DRAM、SRAM、CPu 等。5. 按外形分类集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率器件）、扁平型（稳定性好，体积小，一般适合用于大功率器件）、双列直插型（适合于典型集成电路）和方形阵列型（适合于超大规模集成电路）。三、集成电路工艺水平指标集成电路作为一个国家经济发展的基
21、础产业，重要程度日益突出。集成电路的设计与加工制造能力，尤其是工艺技术水平，决定了一个国家的集成电路产业水平。通常衡量 IC工艺水平的指标包括以下五个方面。1.集成度集成度是指一个 IC芯片上所能包含的晶体管个数。集成度越高表明相同芯片面积集成的元件数越多、电路功能越强大，同时芯片速度和可靠性更高，功耗更低，体积、重量和成本下降，从而提高了性能/价格比，因此集成度是 IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为了节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到 919 层金属布线。晶片集成和三维集成技术也正物理与水电工程系物理学专业 10级毕
22、业论文（设计）8在研究开发。正因为集成度的不断提高，集成电路已进入系统集成或片上系统的时代。2.特征尺寸特征尺寸定义为器件中最小线条宽度（对 MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度），也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺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向深亚微米发展，目前的规模化生产是 0.18um、0.15um、0.13um 工艺，而 90nm和 65nm的成熟产品已进入市场。3.晶片直径为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，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，成本
23、提高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。当前的主流晶圆的尺寸为 8英寸和 12英寸，正在向 14英寸晶圆迈进。4.芯片面积随着集成度的提高，每颗芯片芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题，如大芯片封装技术、成品率以及由每个大圆片所包含芯片数减少而引起的生产效率降低等。当然，随着封装技术和集成工艺的不断改进，上述问题总会得到解决。5.封装IC的封装最初采用插孔封装形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装技术已广泛应用。在电子设备中使用表面安装封装的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，表面安装封装不仅体积小而且可以安装在印刷电路板的两面
24、，是电路板的费用降低60%，并使性能得到改进。近几年系统级封装技术也得到迅速发展，SiP 能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。目前 SiP主要用于低成本、小面积、高频高速，以及生产周期短的电子产品上，如功率放大器、全球定位系统、蓝牙模块、影像感测模块、记忆卡等便携式产品市场。四、集成电路产业现状（一）世界集成电路产业现状90年代 ASIC、uLSI 和巨大规模集成 GSI等代表更高技术水平的 IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品。1G DRAM (芯片面积 700mm2，特征尺寸 0.18m，晶片直径 200mm) ，2000 年开始商业化生产，200
25、4 年达到生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPu(P4)己超过 4000万晶体管，DRAM 已达 Gb规模。集成电路的速度不断提高，采用 0.13m CMOS工艺实现的 CPu主时钟已超过 2GHz，实现的超高速数字电路速率已超过 10Gb/s，射频电路物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）9的最高工作频率已超过 6GHz。由于集成电路器件制造能力按每 3年翻两番，即每年 58的速度提升，而电路设计能力每年只以 21的速度提升，电路设计能力明显落后于器件制造能力，且其鸿沟(gap)呈现越来越变宽的趋势。工艺线建设投资费用越来越高。目前一条 8英寸 0.35m 工艺线的投资约 20
26、亿美元，但在几年内一条 12英寸 0.09m 工艺线的投资将超过 100亿美元。如此巨额投资已非单独一个公司，甚至一个发展中国家所能单独负担的。21 世纪集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统 SoC (System-on-Chip)成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于 2003年 11月底展示了首个能工作的 65纳米制程的硅片，Intel 公司 2004 年 8月宣布，他们已经采用 65纳米，生产出了 70Mbit的 SRAM。并计划于 2005年正式进入商业化生产阶段。使用 65纳米制程生产的芯片中门电路的数目是 90纳米制程的 1/3。SRAM（静态存储器）将
27、用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用 SRAM。Intel 表示，通过采用第二代应变硅技术（应变硅技术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形，以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运行速度越快，处理器的性能就越好。 ）可以将晶体管的性能提升了 10%15%，与 90纳米工艺制造的晶体管相比，65 纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少 4倍的漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用 65纳米工艺 Intel公司 2004年底宣布首次成功开发出 15纳米的晶体管。Intel的 15纳米晶体管基于 CMOS工艺，工作电压为 0.8伏
28、，每秒可进行 2.63万亿次开关转换。Intel 计划在 2009年开发出基于 15纳米晶体管的芯片，到时该公司开发出的处理器将达到 20GHz甚至更高。（二）我国集成电路产业现状1.产业规模目前，我国集成电路产业已具备了一定的发展基础，由 8个芯片生产骨干企业、十几个封装厂、几十家设计公司、若干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体初步形成，电路设计、芯片制造和电路封装三业并举，在地域上呈现相对集中的局势（苏浙沪、京津、粤闽地区） 。2000 年，我国集成电路产量为 58.8亿块，与 1999年相比，增长了41.7%，销售额近 200亿元，增长 75%，出口集成电路 47.8亿块，出口
29、金额 19.8亿美元。2.设计业2000年，除独资公司外，我国集成电路设计公司的营销收入超过 5亿元，其中营业收入过亿元的公司已有 4家（华大、矽科、大唐微电子和士兰公司） ，销售额超过 1000万元的约 10家。我国年设计能力超过 300种，以 SRAM存储器为主的电路设计门数达到 200万门，以逻物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）10辑电路为主的电路设计门数达到 50万门。最高设计水平为 0.25微米，主流设计技术在0.8-1.5微米之间。3.芯片制造业目前，我国集成电路芯片制造主要采用 56 英寸硅片、0.81 微米技术。上海华虹NEC电子有限公司 8英寸芯片生产线的建成
30、投产，使我国集成电路生产技术已达到 0.25微米的深亚微米技术水平。7 个主干企业生产线的月投片量已超过 17万片，其中 68 英寸大圆片的产量占了 33%以上。投片量最大的上海先进半导体公司和上海华虹 NEC公司已达到月投 20000片。4.封装业2000年，我国集成电路封装业的销售收入超过 130亿元，其中销售收入超过 1亿元的有 14家，全年封装电路近 45亿块，其中年封装量超过 5亿块的有 5家。其中，Intel 科技（中国）公司年封装量为 12.5亿块，年销售额为 33.5亿元；金朋（上海）公司年封装量为 10.3亿块，年销售额为 25.2亿元；深圳赛意法微电子公司年封装量为 8.0
31、6亿块，年销售额为 3.6亿元；江苏长电科技公司年封装量为 5.07亿块，年销售额为 4.1亿元；南通富士通电子公司年封装量为 5.02亿块，年销售额为 6.8亿元。五、集成电路的发展趋势（一）国际集成电路的发展趋势自发明了集成电路以来，电路集成已经有了巨大的增长。1965 年，Intel 公司的创始人之一戈登摩尔提出著名的摩尔定律（每隔 3年，集成电路的特征尺寸缩小到原来的0.7倍，集成电路的集成度增加到原来的 4倍），摩尔定律在过去 30年里准确地代表着芯片技术的发展趋势。据预测，今后 20年左右时间内集成电路的集成技术及其产品仍将遵循这一规律发展。（二）我国集成电路的发展趋势我国集成电路
32、产业起步于 20世纪 60年代，2001 年全国集成电路产量为 64亿快，销售额为 200亿人民币。2002 年 6月，共有半导体企业事业单位（不含材料、设备）651 家，其中芯片制造厂 46家，封装、测试厂 108家，设计公司 367家，分立器件厂商 130家，从业人员 11.5万人。设计能力为 0.180.25um、700 万门，制造工艺为 8英寸、0.180.25um，主流产品为 0.350.8um。未来一段时间，随着设备和材料水平的不断提升，集成电路产业链的各个环节的技术水平仍将保持较快发展。在设计方面，随着市场对芯片小尺寸、高性能、高可靠性、节能环保的要求不断提高，高集成度、低功耗的 SoC芯片将成为未来主要的发展方向，软硬件物理与水电工程系物理学专业 10级毕业论文（设计）11协同设计、IP 复用等设计技术也将得到广泛的应用。在芯片制造方面，随着存储器、逻辑电路、处理器等产品对更高的处理速度、更低的工作电压等方面的技术要求不断提高，12英寸数字集成电路芯片生产线将成为主流加工技术，90nm、65nm 工艺技术得到大规模应用，45nm技术也将步入商业化；8 英寸及以下芯片生产线将更多地集中在模拟或模数混合集成电路等制造领域。
