半导体行业基本原理.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 掌握行业发展规律，把握机遇顺势而为 作为微电子技术核心的集成电路(以下简称为IC)，从其诞生至今的40年中，集成度提高了5000万倍，器件特征尺寸缩小了200倍，单个器件的平均成本下降了100万倍。IC成为二十世纪中创新最多、更新最快的技术。 尽管如此，人们还是从实践中总结出IC技术和产业的基本特征以及它们的发展规律。其中，最为明显的，一是器件按比例缩小原理(又称等比例缩小原理)；二是著名的摩尔定律；三是IC产业周期性发展规律(又称“硅周期”)。 一、集成电路技术和产业主要发展规律简单描述 1器件按比例缩小原理 该原理表明，随着IC技术的发展，构成IC的最基础器件MOS晶体管的沟道长度、宽度等横向尺寸和栅介质层厚度、源漏结深等纵向尺寸都按相同的比例缩小。同时，为了保持器件有效区域内的电场强度和单位面积上的功耗不变，器件工作的电压也按比例降低，衬底掺杂浓度则按比例提高。 正是由于器件按比例缩小导致了IC芯片成本降低和性能提高的双重推进机制，使IC可以获得愈来愈好的效果，并使其成为激励人们永无止境技术创新的动力基础。 2摩尔定律 这是美国Intel公司第一任总裁摩尔在1965年揭示的IC芯片集成度随时间增长的规律。该定律表明，IC芯片集成度，每18个月翻一番，或每三年增加4倍。而与此相应的是，IC芯片中器件特征尺寸，每三年缩小1.4倍(K1.4)，或者说，每三年器件的特征尺寸缩小到原来的70左右。由此，IC的整体技术提升一代。可见，器件按比例缩小原理是摩尔定律的物理基础。 这种IC芯片集成度和器件特征尺寸随时间推进的规律集中反映于世界集成电路技术发展路程图中(如表1)。该路程图为世界IC技术界和产业界既提供了十分明确的技术发展目标，又提出了达到这个目标的时间。 许多年来，IC技术和产业的实际进展情况证实了由摩尔定律和路程图预言的发展规律。但是，在个别年份，由于其他因素的影响，会出现小的修正，例如0.18微米技术比预期的2000年早1年，于1999年开发成功，而将0.15微米技术仅仅看作是0.18微米和0.13微米技术之间的过渡，而不是一代技术的跳跃，那么，路程图中199720002003年间仍然有很好的三年一代的规律性。 事实上，IC产业，除了受到技术发展的拉动之外，还要受到商业利益的驱动，这就造成了IC产业的另一些特征。例如，由于器件特征尺寸的缩小，这就推动了加工工艺更微细化和设备精度的提高，为使芯片的单位成本不变，就势必推动人们采用更大尺寸的圆片，并扩大IC芯片的生产规模。这就导致了IC芯片生产线投资规模迅速增长的趋势(如表2)。 由于IC产业的巨大投资，必然导致IC市场的国际化。只有这样，才能支撑这巨额投资，并获得可观的商业利润和继续技术创新的能力。为了求得IC产业的更大发展，IC产业的投资商也在国际范围内，吸纳技术成果，吸引人才，甚至要求本国政府出台保护本国IC产业发展的优惠政策。这些使IC产业成为国际竞争性产业，并引发出IC产业发展的一个奇特现象硅周期。 3硅周期 硅周期是指世界IC市场每4至5年有一小周期变化，每10至11年有一大周期变化。例如，1984、1988及1995年是世界IC市场旺盛年份，市场增长率各为46.4、38.6和42.3，但到1985、1990及1996年，市场出现低谷增长率，各为16.8、1.6及8.7。1996年过后，本来可以期望IC市场回升，但是，当时爆发的亚洲金融风暴，使得1998年的市场增长率反而跌到11.4，这个周期的回升时间推迟至1999年。 进一步的考察表明，硅周期主要与IC市场，特别与国际上半导体存储器市场的起伏有关。另外，也与当时一代生产技术到达饱和，生产能力的过分膨胀相关。 二、由集成电路技术和产业发展规律引出的启示 研究IC技术和产业的发展规律，不仅使我们深刻理解IC技术和产业的特征，而且还会对IC企业在规划发展方向、掌握发展时机等方面提供有益的启示。例如，IC技术发展路程图指明了的IC技术发展进程及确切的时间表。这些规律告诉我们，何种技术水平的IC生产企业是何种投资规模，何时建成才能与市场同步等。随着我国IC技术和产业的发展，掌握和运用成功这些规律的实例确也不少。 1上海贝岭选择数模混合电路(数字模拟混合集成电路)的发展方向铸就了持续稳步发展的重要基础。 IC技术发展规律集中反映于IC的前沿技术，代表IC前沿技术的有两大类产品：DRAM（动态随机存取存储器）和CPU（中央处理单元）。前者代表了IC的工艺技术，而后者更依赖于IC设计技术。这两类产品是各种计算机的主要基础，且均属于数字电路。但是，IC领域范围广泛，大量的产品，不是单纯的数字电路，而是数字电路与模拟电路相结合的数模混合电路。竞争相对缓和的数模混合电路在使用上更贴近用户，在制造上是数字工艺和模拟工艺的结合，技术难度主要体现于设计技术和制造技术的多样化、综合性。这就十分适合于我国IC市场的情况。上海贝岭生产的大规模集成电路中大部分就是数模混合电路，这是上海贝岭市场不衰的重要原因。 2华虹NEC的建设时间巧与硅周期“合拍”。 由于IC产业发展中存在硅周期现象，因此，世界上大多数IC企业采取与硅周期同步的工作时序，即企业选择在市场低迷时期投资开发技术和产品，在市场临近回升或开始回升初期，投资扩大生产规模或者建造新一代技术的生产线。等到市场高峰到来时，企业将更先进的产品和更大规模的生产手段推向市场，并抓紧时机，在市场旺盛的2至3年内回收投资和取得高额回报。错过这个时序，只会延长投资回收时间，增加投资风险。华虹NEC，由于具有世界上生产DRAM最大厂商之一的日本NEC公司的合作，因而在产品市场和技术来源两方面均有较为可靠的保证。1997年，正当DRAM国际市场低迷时，华虹NEC生产线开工建设，而在1999年上半年正当世界半导体市场开始回升时，试车投产，赶上了64M DRAM世界市场紧俏，DRAM价格骤升的大好时期。 3我国鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策终于出台。 我国IC产业在经历了单纯引进设备、相继引进技术，然后引进资金和管理等各个阶段后，逐步领悟到在我国营造一个有利于IC产业发展的政策环境的重要性，它不仅是鼓励和保护我国IC产业发展的必要手段，而且还是吸引境外IC产业投资商和技术人才的有效手段。今年6月底，我国鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策出台。这在我国IC发展史上是一个划时代的进步。可以预料，这种有利于产业发展的政策环境将是进入21世纪最初20年我国IC产业快速发展的重要推动力。鼓励政策的出台，反映了我国IC产业界、技术界以及政府主管部门对IC产业发展规律的深刻认识，也是我国IC技术和产业发展到一定水准的重要标志。 4运用IC技术和产业发展规律，预测今后几年我国IC产业的发展趋势。 硅周期的以往几次市场升落都与计算机相关，但这次1999年下半年的大回升却是由多种因素所致。以市场而论，Internet网、移动通信、笔记本电脑和数字化设备都相继进入旺盛时期，这对1999年国际IC市场产生了强大的推动力。以技术而言，0.25和0.18微米技术已经成熟，相继投入生产，这为发展以上新一代产品的市场提供了坚实的技术基础。再加上亚洲金融风暴的逐步解除。因此，1999年下半年IC市场回升大大超出了DRAM市场好转起到的作用，表现得特别强劲，一再突破了国际上许多权威机构的预测数字。例如，1998年底美国半导体工业协会（SIA）对1999年全球半导体市场增长率的预测是10左右，但实际增长率为18.9。由于国内最近几年电子信息产业发展特别迅速，形成了与众不同、独立发展的国内整机市场。并且由于我国经济发展很少受到亚洲金融风暴的影响，因此，即使在1996至1998年的全球半导体市场低迷时期，我国IC产业以每年30上下的增长率快速发展，而1999年的实际增长率更达到36以上，使全世界IC同行刮目相看。 然而，IC产业的这种世界性的增长趋势还在继续发展，根据SIA最近一次对全球半导体工业的中期（20002003年）预测，2000、2001、2002及2003年的增长率各为31、25、14及12。这一时期的平均增长率为20，持续时间如此之长的高速增长，在最近10年中还从未出现过，而亚太地区（包括中国，但不包括日本）增长速度更高于其他地区，表3列出了对全球半导体市场需求的预测。另外，最近日本电子机械工会协会（EIAJ）对全球半导体的长期市场（20042006年）也作了预测，认为由于在此期间全球的网络、电脑、移动通信和数字化设备方兴未艾，仍可保持每年14至38的增长速度，这为IC市场继续发展提供了有力的支持。 另一方面，根据国际半导体技术发展指导委员会（ITRS）的预测，直至2008年，IC技术的发展还是十分乐观的，在此期间0.13微米及0.10微米技术相继成熟并投产，这为以上领域产