电子信息工程导论第四章_集成电路

1、第四章 集成电路电子信息技术导论电子信息技术导论周美娟周美娟 第八章第八章 集成电路集成电路一、集成电路在国民经济中的战略地位一、集成电路在国民经济中的战略地位二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程三、集成电路的分类三、集成电路的分类四、集成电路材料四、集成电路材料五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺六、集成电路封装与测试六、集成电路封装与测试七、集成电路设计七、集成电路设计八、我国集成电路的发展情况八、我国集成电路的发展情况提纲提纲一、集成电路在国民经济中一、集成电路在国民经济中的战略地位的战略地位（一）集成电路使社会进步（一）集成电路使社会进步笔记本电脑笔记本电脑CPU中

2、的晶体管中的晶体管数约有数约有10亿只。亿只。手机手机中的一块集成电路中的一块集成电路的晶体管数约有的晶体管数约有3000万万只。只。晶体管晶体管没有集成电路就没有今天的手机和没有集成电路就没有今天的手机和笔记本电脑！人类社会将倒退笔记本电脑！人类社会将倒退5年！年！一、集成电路在国民经济一、集成电路在国民经济中的战略地位中的战略地位（二）集成电路与未来战争（二）集成电路与未来战争每一项技每一项技术的实现术的实现都离不开都离不开集成路。集成路。导弹防御系统是信息化武器的集中代表。导弹防御系统是信息化武器的集中代表。一、集成电路在国民经济一、集成电路在国民经济中的战略地位中的战略地位（二）集成电

3、路与未来战争（二）集成电路与未来战争美战斧巡航导弹美战斧巡航导弹跟踪、制导导弹跟踪、制导导弹美对地攻击无人机美对地攻击无人机制导系统是：制导系统是：计算机、无线信号（微波、红外或激光）接收机，以及自动控制装计算机、无线信号（微波、红外或激光）接收机，以及自动控制装置的系统集成。只有集成电路才可能作成如此小的体积的引导头。置的系统集成。只有集成电路才可能作成如此小的体积的引导头。没有集成电路就不会有信息化武器！没有集成电路就不会有信息化武器！就不会有独立自主的国防！就不会有独立自主的国防！?美国国民经济的构成关系统计：美国国民经济的构成关系统计：即发达国家经济关系：即发达国家经济关系：GDP每增

4、长每增长100元，需要元，需要10元左右电子工业产值和元左右电子工业产值和12元集成电路产值的支持。元集成电路产值的支持。 （三）集成电路在国民经济中的战略地位（三）集成电路在国民经济中的战略地位一、集成电路在国民经济中一、集成电路在国民经济中的战略地位的战略地位 欧美发达国家的一般统计规律：欧美发达国家的一般统计规律： 集成电路产值的增长率集成电路产值的增长率 1.52倍倍电子工业产值的增长率电子工业产值的增长率 电子工业产值的增长率电子工业产值的增长率 3倍国民经济倍国民经济GDP的增长率的增长率 一、集成电路在国民经济中一、集成电路在国民经济中的战略地位的战略地位15%9%3%From

5、S.M.SZE（著名半导体物理学家：施敏（著名半导体物理学家：施敏）GNP=Gross National Product(国民生产总值国民生产总值)对世界半导体、钢、电子工业、移动通信和全球国民生产总值的统计与预测：对世界半导体、钢、电子工业、移动通信和全球国民生产总值的统计与预测：一、集成电路在国民经济一、集成电路在国民经济中的战略地位中的战略地位1，21世纪是信息经济时代。世纪是信息经济时代。目前发达国家信息产业产值已占国民经目前发达国家信息产业产值已占国民经济总产值的济总产值的40%60%，国民经济总产值增长部分的，国民经济总产值增长部分的65%与集成电路与集成电路有关。有关。 小结小结

6、2， 2009年年03月月05日国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业日国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知指出：发展若干政策的通知指出：“软件产业和集成电路产业作为信息产业软件产业和集成电路产业作为信息产业的核心和国民经济信息化的基础，越来越受到世界各国的高度重视。的核心和国民经济信息化的基础，越来越受到世界各国的高度重视。我国拥有发展软件产业和集成电路产业最重要的人力、智力资源，我国拥有发展软件产业和集成电路产业最重要的人力、智力资源，在面对加入世界贸易组织的形势下，通过制定鼓励政策，加快软件在面对加入世界贸易组织的形势下，通过制定鼓励政策，加快软件产业和集成电路产

7、业发展，是一项紧迫而长期的任务，意义十分重产业和集成电路产业发展，是一项紧迫而长期的任务，意义十分重大。大。”3，集成电路，特别是超大规模集成电路（，集成电路，特别是超大规模集成电路（65纳米线宽）、微波集纳米线宽）、微波集成电路的生产制造技术是一个国家工业基础和高科技水平的综合成电路的生产制造技术是一个国家工业基础和高科技水平的综合体现。体现。Integrated Circuit ，缩写，缩写IC 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、电感等无源器件，按照一定的电路互连，、电容、电感等无源器件，按照一定的电

8、路互连，“集成集成”在一块半在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。系统功能的一种器件。 集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片（一）集成电路是什么？（一）集成电路是什么？二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路11952年：年： 英国皇家雷达研究所，英国科学家英国皇家雷达研究所，英国科学家G. W. A. Du

9、mmer（达默）第一次提出了集成电路的设想；（达默）第一次提出了集成电路的设想；31958年：以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比年：以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路（由为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路（由12个个元件构成的元件构成的相移振荡）；相移振荡）；41958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件制成一个RC移相振荡电路。二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程（二）集成电路的发展历程（二）集成电路的发展历程 1967年：年：Kahng、S. Sze（施敏）发明了非挥发存储器；为微型计（施敏）发明

10、了非挥发存储器；为微型计算机的发明奠定了坚实的基础；算机的发明奠定了坚实的基础；1960年：世界上成功制造出第一块MOS集成电路；1962年：Wanlass、C. T. Sah （萨之唐）发明了CMOS技术；二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程1971年年世世 界界 上上 第第 一一 个个 商商 用用 微微 处处 理理 器：英特尔器：英特尔4004，晶晶 体体 管管 数数 目目 ： 2300 ，速速 度度 ： 108kHz 1971年：年：Intel公司微处理器诞公司微处理器诞生，此后出现了生，此后出现了PC。 （1）特征尺寸越来越小；（）特征尺寸越来越小；（2）芯片尺寸越来越大；（）

11、芯片尺寸越来越大；（3）单片上的晶）单片上的晶体管数越来越多；（体管数越来越多；（4）时钟速度越来越快；（）时钟速度越来越快；（5）电源电压越来越低；）电源电压越来越低；（6）布线层数越来越多；（）布线层数越来越多；（7）输入）输入/输出输出(I/O)引脚越来越多。引脚越来越多。二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程（三）集成电路的发展特点（三）集成电路的发展特点注：目前（注：目前（2008年）年）0.065微米微米技术己成熟，正发展技术己成熟，正发展0.045微米技术。微米技术。CPU 80286及Pentium Pro(TM)芯片的显微照片Intel 0.09um工艺256MB SR

12、AM芯片显微照片二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程二、集成电路的发展历程2在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成集成电路芯片的集成度每三年提高度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，而加工特征尺寸缩小 倍倍。这就是由。这就是由Intel公司创始公司创始人之一人之一Gordon E. Moore博士博士1965年总结的集成电路的发展规律，被称年总结的集成电路的发展规律，被称之为摩尔定律之为摩尔定律。（四）摩尔定律（四）摩尔定律1, 双极集成电路：主要由双极晶体管构成双极集成电路：主要由双极晶体管构

13、成 NPN型双极集成电路型双极集成电路 PNP型双极集成电路型双极集成电路三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 NPN型双极晶体管型双极晶体管PNP型双极晶体管型双极晶体管N、P指半导体类型：指半导体类型：N型半导体中型半导体中自由电子自由电子多，多，P型半导体中型半导体中空穴空穴多。这是多。这是半导体物理学中要学习的原理半导体物理学中要学习的原理。2, MOS集成电路：主要由集成电路：主要由MOS晶体管构成晶体管构成 NMOS PMOS CMOS(互补互补MOS)三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) 金属金属-氧化物氧化物-

14、半导体半导体结构的晶体管简称结构的晶体管简称MOS晶体管，有晶体管，有P型型MOS管和管和N型型MOS管之分。由管之分。由 MOS管构成的管构成的集成电路集成电路称称为为MOS集成电路集成电路，而由，而由PMOS管和管和NMOS管共同构管共同构成的成的互补互补型型MOS集成电路即为集成电路即为 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。）。目前使用最最广泛的晶体管是目前使用最最广泛的晶体管是CMOS晶体管晶体管，CMOS晶体管功耗和抗干扰能力强。晶体管功耗和抗干扰能力强。PMOS晶体管晶体管NMOS晶体管晶体管3，双极双极-MOS(BiMOS

15、)集成电路：集成电路： 同时包括双极和同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，集成电路， 综合了双极和综合了双极和MOS器件两者的优点。器件两者的优点。由双极型门电路和互补金属由双极型门电路和互补金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（CMOS）门电路构成的）门电路构成的集成电路。特点是将双极（集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和）工艺和CMOS工艺兼容，在同工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起电路集成在一起 ，兼有高密度兼有高密度 、低功耗和高速大驱动能力等特点、低功耗和高速

16、大驱动能力等特点 。高性能。高性能BiCMOS电电路于路于20世纪世纪80年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模数混门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模数混合电路，用于系统集成。有人预言，合电路，用于系统集成。有人预言，BiCMOS集成电路是继集成电路是继CMOS集集成电路形式之后的下一代高速集成电路形式。成电路形式之后的下一代高速集成电路形式。 三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSISSI102100200

17、0300ULSI107109GSI109三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 注：注：SSI-SSI-小规模；小规模；MSI-MSI-中规模；中规模；LSI-LSI-大规模；大规模；VLSI-VLSI-超大规模；超大规模；ULSI-ULSI-特大规模；特大规模；GSI-GSI-吉规模。吉规模。1. 1. 单片集成电路：电路中所有的元器件都制作在同一块半导体单片集成电路：电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。基片上的集成电路。2. 2. 混合集成电路：混合集成电路： 厚膜集成电路厚膜集成电路 薄膜集成电路薄膜集成电路三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 （四）按电路的功能分

18、类（四）按电路的功能分类1，数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC)：如：如RAMRAM存储器（存储器（USBUSB中的存储器等）中的存储器等）2 2，模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(Analog IC)：如放大器。：如放大器。3 3，数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) (Digital - Analog IC) ： 例如数模例如数模(D/A)(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)(A/D)转换器等。转换器等。1. 全定制集成电路全定制集成电路(Full Custom Design Approach)

19、 全定制集成电路是指按照用户要求，开发设计的专用集成电路。通常可达到性能价格比最优。2. 半定制集成电路半定制集成电路(Semi-Custom Design Approach) 半定制集成电路包括门阵列、门海、标准单元等。对半定制集成电路，设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终的设计，一般是在成熟的通用母片基础上追加某些互连线或某些专用电路的互连线掩膜，因此设计周期短。门阵列母片门阵列母片门海母片结构中的规则布线门海母片结构中的规则布线（五）按应用和实现方法分类（五）按应用和实现方法分类三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 压焊块和I/O单元布线通道宏单元标准单元模块标准单元压焊块RAM

20、PLAI/O积木块法版图结构积木块法版图结构标准单元法的版图布置标准单元法的版图布置3. 可编程逻辑器件可编程逻辑器件从20世纪70年代末开始，发展了一种称为可编程逻辑器件（PLD）的半定制芯片。PLD芯片内的硬件资源和连线资源是由制造厂生产好的，设计者不用到半导体加工厂，可以借助功能强大的设计自动化软件和编程器，自行在实验室、研究室，甚至车间等生产现场进行设计和编程，完成集成电路的设计，十分方便，而且可多次修改自己的设计，且不需更换器件和硬件。 三、三、 集成电路的分类集成电路的分类 四、四、 集成电路材料集成电路材料（一）集成电路中所用材料表（一）集成电路中所用材料表 按按导电能力可以分为

21、导体、半导体和绝缘体三类导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类 。集成电路要应用到。集成电路要应用到所有三类材料所有三类材料 。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导 体电 导 率（Scm-1）材 料分 类5102-91010-14-221010（二）导体，铝、金、钨、铜等金属在集成电路工艺中的应用（二）导体，铝、金、钨、铜等金属在集成电路工艺中的应用（1）构成低值电阻；）构成低值电

22、阻；（2）构成电容元件的极板；）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成

23、构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。 四、四、 集成电路材料集成电路材料（三）作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅三）作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧化物和氮化物、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1 1）构成电容的绝缘介质；）构成电容的绝缘介质；（2 2）构成金属）构成金属- -氧化物氧化物- -半导体器件（半导体器件（MOSMOS）的栅绝缘层；）的栅绝缘层；（3 3）构成元件和互连线之间的横向隔离；）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4 4）构成工艺层面之间的垂直隔离

24、；）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5 5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。四、四、 集成电路材料集成电路材料（四）半导体材料的应用（四）半导体材料的应用 四、四、 集成电路材料集成电路材料1，半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化.2，半导体材料须十分纯净 一般材料纯度在99.9已认为很高了，有0.1的杂质不会影响物质的性质。而 半导体材料不同，纯净的硅在室温下：21400cm, 如果在硅中掺入杂质 磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999。则其电阻率变为：0.2cm。因 此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力，改变性质，

25、制造 器件。3，半导体的导电能力随光照而发生显著变化4，半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化.半导体材料是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件半导体器件.（五）半导体材料的特性（五）半导体材料的特性 包括从晶片开始加工到中包括从晶片开始加工到中间测试间测试 之前的所有工序。之前的所有工序。 前工序中包括以下三类工前工序中包括以下三类工艺：（艺：（1 1） 薄膜制备工艺：薄膜制备工艺：包括氧化、外延、化学气包括氧化、外延、化学气相淀积、蒸发、溅射等。相淀积、蒸发、溅射等。（2 2） 掺杂工艺：掺

26、杂工艺： 包括离包括离子注入和扩散。（子注入和扩散。（3 3） 图图形加工技术：形加工技术： 包括制版和包括制版和光刻。光刻。1 1，前工序前工序包括从中间测试开包括从中间测试开始到器件完成的所始到器件完成的所有工序有工序, , 有中间测有中间测试、试、 划片、划片、 贴片、贴片、 焊接、焊接、 封装、成品封装、成品测试等。测试等。 2 2，后工序后工序五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺（一）工艺类型简介（一）工艺类型简介-可分成三类：可分成三类： 前工序、前工序、 后工序及辅助工序。后工序及辅助工序。（1 1）超净环境的制备。（）超净环境的制备。（2 2）高纯水、气的制备：）高

27、纯水、气的制备：ICIC生产中所用的水必须生产中所用的水必须是去离子、去中性原子团和细菌，绝缘电阻率高达是去离子、去中性原子团和细菌，绝缘电阻率高达15 15 McmMcm以上的电以上的电子级纯水；子级纯水； 所使用的各种气体也必须是高纯度。（所使用的各种气体也必须是高纯度。（3 3）材料准备：包括制）材料准备：包括制备单晶、切片、磨片、抛光等工序，制成备单晶、切片、磨片、抛光等工序，制成ICIC生产所需要的单晶圆片。生产所需要的单晶圆片。3，辅助工序，辅助工序五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺（二）工艺流程（二）工艺流程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成

28、新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复2030次次集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺（三）集成电路基本加工工艺（三）集成电路基本加工工艺五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺（三）集成电路基本加工工艺（三）集成电路基本加工工艺1，外延生长，外延生长 不同的外延工艺可制备不同的材料系统。目前常见的外延技术为化学汽相沉积不同的外延工艺可制备不同的材料系统。目前常见的外延技术为化学汽相沉积 （CVD：Chemical Vapor Deposition）、金属有机物汽相沉

29、积（）、金属有机物汽相沉积（MOCVD：Metal Organic CVD）和分子束外延生长（）和分子束外延生长（MBE：Molecular Beam Epitaxy）。）。化学汽相沉积生长化学汽相沉积生长:也称汽相外延（称汽相外延（VPE：Vapor Phase Epitaxy）,CVD是通是通过汽体化合物之间的化学反应而形成的一种生长外延层的工艺。过汽体化合物之间的化学反应而形成的一种生长外延层的工艺。 通过晶圆表面通过晶圆表面吸附反应物，在高温下发生反应，生成外延层吸附反应物，在高温下发生反应，生成外延层, 吸附沉积的硅原子需要较高的吸附沉积的硅原子需要较高的迁移率能够在表面自由移动来形

30、成完整的晶格。迁移率能够在表面自由移动来形成完整的晶格。一种热壁化学汽相沉积系统示意图一种热壁化学汽相沉积系统示意图 五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺分子束外延生长（分子束外延生长（MBEMBE：Molecular Beam Molecular Beam EpitaxyEpitaxy） 分子束外延是在超高真空下（分子束外延是在超高真空下（1010-8 -8 PaPa）加热一种或多种原子或分子，）加热一种或多种原子或分子，这些原子分子束与衬底晶体表面反这些原子分子束与衬底晶体表面反应从而形成半导体薄膜的技术应从而形成半导体薄膜的技术 MBEMBE有生长半导体器件级质量膜的有生长半

31、导体器件级质量膜的能力，生长厚度具有原子级精度能力，生长厚度具有原子级精度金属有机物金属有机物CVD（MOCVD：Metal Organic CVD）: 由于许多由于许多III族元素有机化合物和族元素有机化合物和V族元素氢化物在较低温度下即可成为气态，族元素氢化物在较低温度下即可成为气态，因此在金属有机物化学沉积过程中反应物不需要高温，只需要在衬底附近存在因此在金属有机物化学沉积过程中反应物不需要高温，只需要在衬底附近存在高温区使得几种反应物能够在衬底附近发生化学沉积反应即可。高温区使得几种反应物能够在衬底附近发生化学沉积反应即可。MBE系统示意图系统示意图 掩膜功能：掩膜功能： 在集成电路开

32、始制造之前，需要预先设定好每个工艺的制造过程和先在集成电路开始制造之前，需要预先设定好每个工艺的制造过程和先后顺序。后顺序。v 每个工艺中都需要掩膜来覆盖暂时不需要加工的位置，需要加工的位每个工艺中都需要掩膜来覆盖暂时不需要加工的位置，需要加工的位置则需要按照一定的图形来加工。置则需要按照一定的图形来加工。v 版图设计就是将集成电路的布局按照集成电路工艺过程分为多层掩膜版图设计就是将集成电路的布局按照集成电路工艺过程分为多层掩膜版的过程。版的过程。v 将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版。将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版。v 制版就是要产生一套分层的版图掩膜，为将来将设计的版图转移到晶制版

33、就是要产生一套分层的版图掩膜，为将来将设计的版图转移到晶圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。 五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺2，掩膜制版工艺，掩膜制版工艺掩膜制造：掩膜制造： 掩膜版可分成：整版及单片版掩膜版可分成：整版及单片版 整版是指晶圆上所有的集成电路芯片的版图都是有该掩膜一次投影制作整版是指晶圆上所有的集成电路芯片的版图都是有该掩膜一次投影制作出来的。各个单元的集成电路可以不同。出来的。各个单元的集成电路可以不同。 单片版单片版 是指版图只对应晶圆上的一个单元。其他单元是该单元的重复投是指版图只对应晶圆上的一个单元。其他

34、单元是该单元的重复投影。晶圆上各个芯片是相同的。影。晶圆上各个芯片是相同的。 早期掩膜制造是通过画图照相微缩形成的。早期掩膜制造是通过画图照相微缩形成的。 光学掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层光学掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层606080nm80nm厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版（厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版（Cr maskCr mask），通常也称为），通常也称为光学（掩膜）版。光学（掩膜）版。 新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺2，掩膜制版工

35、艺，掩膜制版工艺 图案发生器方法（图案发生器方法（PG：Pattern Generator） 集成电路上任何一个图形都可以由无数个矩形组成集成电路上任何一个图形都可以由无数个矩形组成 任何一个矩形都有在空间的坐标和长和宽。任何一个矩形都有在空间的坐标和长和宽。 将分割的所有图形的参数记录并制版，得初缩版将分割的所有图形的参数记录并制版，得初缩版 初缩版用来重复投影制作掩膜版初缩版用来重复投影制作掩膜版 另外还有另外还有X射线制版法射线制版法 ,电子束扫描法（电子束扫描法（E-Beam Scanning ）五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺2，掩膜制版工艺，掩膜制版工艺 在集成电路

36、的制作过程中要对硅表面反复进行氧化，制备在集成电路的制作过程中要对硅表面反复进行氧化，制备SiO2薄膜。生长薄膜。生长SiO2薄膜的方法有多种，如热氧化、阳极氧化、化学气相淀积等。其中以热薄膜的方法有多种，如热氧化、阳极氧化、化学气相淀积等。其中以热氧化和化学气相淀积（氧化和化学气相淀积（CVD）最为常用。热氧化生成）最为常用。热氧化生成SiO2薄膜是将硅片放入薄膜是将硅片放入高温（高温（10001200）的氧化炉内，然后通入氧气，在氧化环境中使硅表面）的氧化炉内，然后通入氧气，在氧化环境中使硅表面发生氧化发生氧化, 生成生成SiO2薄膜。热氧化分为干氧法和湿氧法两种。薄膜。热氧化分为干氧法和

37、湿氧法两种。五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺3，氧化工艺，氧化工艺热氧化示意图热氧化示意图 热扩散法掺杂热扩散法掺杂 利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。向硅中扩散并形成一定的分布。 热扩散通常分两个步骤进行：热扩散通常分两个步骤进行： 预淀积（预淀积（predepositionpredeposition，也称预扩散），也称预扩散） 推进（推进（drive indrive in，也称主扩散）。，也称主扩散）。 一种热扩散法掺杂的系统示意图一种热扩散法掺杂的系统示意图 五、集成

38、电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺4，掺掺杂工艺杂工艺 离子注入法掺杂离子注入法掺杂 离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。 中等电流离子注入系统示意图中等电流离子注入系统示意图 五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺4，掺掺杂工艺杂工艺 对光刻的基本要求对光刻的基本要求 高分辨率高分辨率 高灵敏度高灵敏度 精密的套刻对准精密的套刻对准 大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 低缺陷低缺陷 曝光是在光刻胶上形成预定图案。有光学光刻曝光是在光刻胶上形成预定图案。有光学光刻 和和 非光学光刻非光学光刻; 刻蚀是将图形转移到

39、晶圆上有湿法刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等；刻蚀是将图形转移到晶圆上有湿法刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等； 光刻基本步骤：涂光刻胶光刻基本步骤：涂光刻胶 曝光曝光显影与后烘显影与后烘刻蚀刻蚀去除光刻胶去除光刻胶. 五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺5，光刻工艺，光刻工艺脱水、增黏、涂胶、前烘脱水、增黏、涂胶、前烘显影、坚膜、固胶等显影、坚膜、固胶等刻蚀过程刻蚀过程五、集成电路基本制造工艺五、集成电路基本制造工艺光刻工艺过程示意：光刻工艺过程示意：六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试（一）封装、测试是集成电路生产的流程（一）封装、测试是集成电路生产的流程芯片制造芯

40、片制造电路封装电路封装性能测试性能测试封装是对电路起机械支撑和保护作用; 对信号传输和电源起分配作用; 对电路起着散热作用; 对整块芯片起环境保护的作用。电路的集成度日益增高、功能复杂，集成电路测试已越来越困难。而测试又是生产流程中必不可少的一环。测试在总成本中所占的比重在不断增加。先进的设计工具和制造工艺，使得人们能够快速设计和制造非常复杂的集成电路。芯片所占成本在不断减小，封装、测试成本在增加。封装、测试己占总成本封装、测试己占总成本50%，或高。，或高。六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试 （二）集成电路封装发展阶段（二）集成电路封装发展阶段第一第一阶段阶段2020世纪世纪80

41、80年代之前，通孔安装年代之前，通孔安装(THD)(THD)时代，包括最时代，包括最初的金属圆形封装（初的金属圆形封装（TOTO），后来的陶瓷双列直插封），后来的陶瓷双列直插封装（装（CDIPCDIP）、陶瓷）、陶瓷玻璃双列直插封装（玻璃双列直插封装（CerDIPCerDIP）和塑料双列直插封装（和塑料双列直插封装（PDIPPDIP）。）。第二第二阶段阶段2020世纪世纪8080年代的表面安装器件时代，包括塑料有引线片式裁体年代的表面安装器件时代，包括塑料有引线片式裁体（PLCCPLCC）、塑料四边引线扁平封装（）、塑料四边引线扁平封装（PQFPPQFP）、塑料小外形封装）、塑料小外形封装(P

42、SOP) (PSOP) 以及无引线四边扁平封装等形式以及无引线四边扁平封装等形式; ;第三第三阶段阶段2020世纪世纪9090年代年代的焊球阵列封的焊球阵列封装装(BGA)(BGA)芯芯片尺寸封装片尺寸封装(CSP)(CSP)时代。时代。第四第四发展阶段发展阶段20002000年之后进入年之后进入3D3D叠层封装时叠层封装时代，其代表性的产品是系统级代，其代表性的产品是系统级封装封装(SIP: system in a (SIP: system in a package)package)，即多芯片封装，即多芯片封装(system MCP)(system MCP)。 多芯片封装是将两片以上的集成电

43、路封装在一个腔体内的一种新技术。多芯片封装是将两片以上的集成电路封装在一个腔体内的一种新技术。多芯片封装的集成电路组件已经成功地应用在高速计算机、通信系统、多芯片封装的集成电路组件已经成功地应用在高速计算机、通信系统、航空航天系统等系统中。在民用电子产品如移动电话、便携电脑、数码航空航天系统等系统中。在民用电子产品如移动电话、便携电脑、数码相机、摄录像一体机、汽车电子、医疗电子产品等也有广泛应用相机、摄录像一体机、汽车电子、医疗电子产品等也有广泛应用.多芯片封装结构照片多芯片封装结构照片六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试（三）多芯片封装（三）多芯片封装 MCM（Multi Chip

44、 Module）六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试SOC单片集成电路示意图单片集成电路示意图3D封装封装（四）（四）3D立体封装技术立体封装技术3D封装的优点：产品的尺寸和重量缩小数十倍；电路可靠，封装的优点：产品的尺寸和重量缩小数十倍；电路可靠，整机生产成本低。整机生产成本低。 集成电路测试贯穿集成电路生产全过程。集成电路测试贯穿集成电路生产全过程。根据测试的目的，通常集成电路测试根据测试的目的，通常集成电路测试可以分为四种：可以分为四种：六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试（五）集成电路测试（五）集成电路测试 根据测试阶段不同，集成电路测试又根据测试阶段不同，集成电路

45、测试又可以分为圆片测试和成品测试，也即中可以分为圆片测试和成品测试，也即中测和成测。测和成测。 中测是圆片制造的最后一道工艺，由中测是圆片制造的最后一道工艺，由测试仪结合探针台完成。探针台由：载测试仪结合探针台完成。探针台由：载片部分，接触和调整部分，显微镜部分片部分，接触和调整部分，显微镜部分和控制和控制4大大部分组成。部分组成。探针台探针台 a）验证测试。）验证测试。 b）生产测试。）生产测试。 c）老化测试。）老化测试。 d）成品检测。）成品检测。六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试1，中测试专用工装：中测试专用工装：探针、探针阵列或探头探针、探针阵列或探头芯片时钟频率已经达到

46、芯片时钟频率已经达到GHz，若要在晶圆上，若要在晶圆上测试这些高速芯片，就必须要用微波探针测试这些高速芯片，就必须要用微波探针注：测试通常由计算机在专用软件系统的控制下自动完成，注：测试通常由计算机在专用软件系统的控制下自动完成，并打印出结果。并打印出结果。 对于封装后的成品测试，亦有专用工具可手动成测，也可以将测试系统与对于封装后的成品测试，亦有专用工具可手动成测，也可以将测试系统与机械手相连，自动成测。机械手相连，自动成测。 2，芯片成品测试的工装芯片成品测试的工装六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试集成电路成品测试专用工具集成电路成品测试专用工具a) VLSI 技术正飞速发展技

47、术正飞速发展, 芯片时钟频率的提升使得全速测试更加困难芯片时钟频率的提升使得全速测试更加困难, 而能与被测器件工作频率相同或更高的自动测试设备而能与被测器件工作频率相同或更高的自动测试设备 (ATE)是相当昂是相当昂贵的贵的, 这使得这使得ATE的更新速度总是不及被测系统频率提高的速度的更新速度总是不及被测系统频率提高的速度,成为成为半导体产业一直面临的典型问题。半导体产业一直面临的典型问题。b) 芯片时钟频率的提升还会带来工作在芯片时钟频率的提升还会带来工作在GHz频率范围的芯片必须进行的频率范围的芯片必须进行的电磁干扰电磁干扰 ( EMI ) 测试；测试；c) VLSI 芯片上晶体管密度的

48、增长使得测试更加复杂；芯片上晶体管密度的增长使得测试更加复杂；d) 由数字、模拟由数字、模拟(包括射频电路包括射频电路) 、光学、化学和微机电系统部分构成的、光学、化学和微机电系统部分构成的整个系统将集成到单个芯片中整个系统将集成到单个芯片中, 带来了在一个芯片上测试各种混合信带来了在一个芯片上测试各种混合信号的新问题。号的新问题。3，集成电路测试已成为一项挑战性任务集成电路测试已成为一项挑战性任务六、六、 集成电路封装与测试集成电路封装与测试 “自底向上自底向上”（Bottom-up）1先进行单元电先进行单元电路设计，后进路设计，后进行功能块、子行功能块、子系统设计，直系统设计，直至完成整个

49、系至完成整个系统设计。统设计。七、七、 集成电路设计集成电路设计2先进行行为设计；先进行行为设计；其次进行结构设其次进行结构设计；接着把各子计；接着把各子单元转换成逻辑单元转换成逻辑图或电路图；最图或电路图；最后将电路图转换后将电路图转换成版图。成版图。“自顶向下自顶向下”（Top-down）设计方法类型设计方法类型VLSI数字IC的设计流图 模拟IC的设计流图 七、七、 集成电路设计集成电路设计系统描述功能设计逻辑设计电路设计物理设计设计验证芯片制造X=(AB*CD)+(A+D)+(AD+C)七、七、 集成电路设计集成电路设计包括系统功能、性能、物理尺寸、设计模式、制造工艺、设计周期、设计费

50、用等等。（三）集成电路设计过程简介（三）集成电路设计过程简介物理设计或称版图设计 8000亿US$ 1000亿US$300亿US$16亿US$信息产业微电子产品ASIC产品EDA产品信息产业市场中的信息产业市场中的EDA（四）集成电路设计的（四）集成电路设计的EDA工具工具七、七、 集成电路设计集成电路设计集成电路产业是集成电路产业是以市场、设计、以市场、设计、制造、应用为主制造、应用为主要环节的系统工要环节的系统工程。设计是连接程。设计是连接市场和制造之间市场和制造之间的桥梁，是集成的桥梁，是集成电路产品开发的电路产品开发的入口。成功的产入口。成功的产品来源于成功的品来源于成功的设计，成功的

51、设设计，成功的设计取决于优秀的计取决于优秀的设计工具。设计工具。20世纪世纪60年年代末代末70年代年代初，但只能初，但只能用于芯片的用于芯片的版图设计及版图设计及版图设计规版图设计规则的检查。则的检查。第一代第一代CAD(Workstation)出现于出现于80年代。不仅年代。不仅具有图形处理具有图形处理能力，还具有能力，还具有原理图输入和原理图输入和模拟能力模拟能力 。证证.第二代第二代EDA工具已工具已经进入深亚经进入深亚微米（微米（0.6微米），进微米），进入片上系统入片上系统SOC的新一的新一代代CAD系统系统时代。时代。第四代第四代七、七、 集成电路设计集成电路设计（四）集成电路设

52、计的（四）集成电路设计的EDA工具工具90年代初，为年代初，为EDA系统。其系统。其主要标志是逻主要标志是逻辑设计工具的辑设计工具的广泛应用。包广泛应用。包括行为仿真、括行为仿真、行为综合、逻行为综合、逻辑综合等辑综合等.第三代第三代有十多种成熟的集成电路有十多种成熟的集成电路CAD设计工具，可提供设计工具，可提供方便灵活的各类集成电路的设计功能。方便灵活的各类集成电路的设计功能。v 1956年北京大学、复旦大学、东北人民大学、厦门大学、南京大学年北京大学、复旦大学、东北人民大学、厦门大学、南京大学5所学校在北大联合创建半导体专业；所学校在北大联合创建半导体专业；v 19561956年第一个锗

53、晶体管年第一个锗晶体管在中国科学院应用物理研究所半导体器件实验在中国科学院应用物理研究所半导体器件实验室诞生；室诞生；v 1965年在清华大学制成了第一片集成电路；年在清华大学制成了第一片集成电路；v 1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路；年在北京大学诞生第一块大规模集成电路；v 1982年，国家成立电子计算机和大规模集成电路领导小组；年，国家成立电子计算机和大规模集成电路领导小组；80年代初年代初步形成步形成制造业、设计业、封装业制造业、设计业、封装业三业分离的状态。三业分离的状态。v 出现了长江三角洲、珠江三角洲和环渤海地区三个相对集中的产业区出现了长江三角洲、珠江三角洲和环渤海地

54、区三个相对集中的产业区域，建立了多个国家集成电路产业化基地域，建立了多个国家集成电路产业化基地.八、我国集成电路发展情况八、我国集成电路发展情况（一）（一）概况概况l 93年生产的年生产的集成电路为集成电路为1.781.78亿块，占世界总产量的亿块，占世界总产量的0.4%0.4%，相当于美国，相当于美国19691969年的水平，日本年的水平，日本19711971年的水平。年的水平。l 9696年为年为7.097.09亿块，而亿块，而19961996年国内集成电路市场总用量为年国内集成电路市场总用量为67.867.8亿块亿块, ,国内市国内市场占有率仅为场占有率仅为1010。l 9999年为年为

55、2323亿块亿块, ,销售额销售额7070多亿元，国内市场占有率不足多亿元，国内市场占有率不足2020，绝大部分依，绝大部分依靠进口。靠进口。l 20002000年需求量为年需求量为180180亿块，可生产亿块，可生产3232亿块。亿块。l 2006年年16月份，中国共生产集成电路月份，中国共生产集成电路183.7亿块，比亿块，比2005年同期增长了年同期增长了45.7%。l 2007年，半导体芯片制造业产能较年，半导体芯片制造业产能较2000年增长年增长859%;2008-2011集成电集成电路产业销售收入年均复合增长率将达到路产业销售收入年均复合增长率将达到27.7。l 预计到预计到201

56、1年，中国集成电路产业销售收入将突破年，中国集成电路产业销售收入将突破3000亿元，达到亿元，达到3415.44亿元。届时中国将成为世界重要的集成电路制造基地之一。亿元。届时中国将成为世界重要的集成电路制造基地之一。 八、我国集成电路发展情况八、我国集成电路发展情况（二）我国集成电路生产（二）我国集成电路生产八、我国集成电路发展情况八、我国集成电路发展情况（三）我国集成电路产业的主要问题（三）我国集成电路产业的主要问题1，我国集成电路设计业严重不足我国集成电路设计业严重不足 集成电路产业有三个重要环节：集成电路设计、芯片制造和封装测试。集成电路设计是第一个环节，位于产业链的上游，属智力密集型产

57、业；而芯片制造加工居产业链的中游，属资金、技术密集型产业，行业特点是高风险、高投入、高利润；而封装测试介于二者之间。 我国的集成电路产业主要集中在产业链的中、下游，即芯片制造和封装测试阶段，而集成电路设计业严重不足。 2，中国生产的晶片大多档次较低中国生产的晶片大多档次较低 按照国际水平，在中国生产的晶片比世界主流科技落后了年左右。晶圆小，有70以上的公司还在使用0.35微米及以上的制作工艺，与世界主流技术0.18微米制造技术还差一个档次，与0.065微米先进技术相距甚远。 3，自主创新成果少自主创新成果少 我国申请的专利数仅占世界的1.74。从中反映了我国集成电路产业在技术和整体实力上的差距

58、。 总体技术水平落后，主要问题是：总体技术水平落后，主要问题是：4，我国的集成电路设计企业规模太小我国的集成电路设计企业规模太小 我国的集成电路设计企业规模太小，集成电路制造企业只能多品种、小批量，难以取得规模效益。一条投资亿美元的芯片生产线，每个月能生产至万片英寸晶圆片，在我国至少需要几十家设计公司向其订货，才能“喂饱”这条生产线，而芯片厂需连续保持这种“吃饱”状态年以上，才能完全收回投资。年上半年，上海家芯片设计企业的总产值之和还不到亿元人民币，其中产值超过万的只家，能独立下单的不足家。 减缓中国集成电路产业发展步伐的其他因素包括：a瓦圣那协议。美国半导体仪器公司就因为受到瓦圣那协议 的约束，不能够把某些半导体制造仪器出口到中国；b跨国公司