第一讲微电子的历史

微纳集成系统实验班（04832260）课程简介（１）上课地点：文史楼215学分：３学分上课时间：每周周四（1-2节，8:00-9:50）单周周二（7-8节，15:10-17:00）任课教师：张海霞，蔡一茂，贾嵩，韩德栋，何燕冬课程助教：刘子钊（，liuzizhao@）１．与《微电子与电路基础》课任选其一，以后选微电子专业做为必修课；２．与《微电子与电路基础》课的差异，更加侧重实验，安排有7次实验课。特别说明微纳集成系统实验班（04832260）课程简介：本课程的主旨是介绍微纳集成系统的主要专业知识体系以及相关的试验。通过本课程的学习，学生掌握集成电路器件、设计、MEMS器件等方面的基本知识及其在应用中的要求，组织本课程学习的学生参加一定的动手实验，激发学生的好奇心和创新精神，学会分析问题、解决问题，培养初步的科研能力。教学网站：北大教学网为课程网站，相关通知、课程PPT、学习资料、作业、实验报告等均采用在线提交方式。参考书：自编教材（打印版本/电子版）微电子学概论，张兴，黄如，刘晓彦编著，北大出版社，2010年出版平时考勤（15%）：无故旷课超过3次的视为自动放弃；平时作业（15%）：每部分内容两道作业题；实验报告（20%）：限三次实验报告，每次实验报告不准超过2页A4纸，超过者自动扣分；6月12日前交。期末考试（50%）：考试2016年6月23日（周四）上午课程简介（2）考核方式课程表周课次日期时间题目讲师一12016-2-23（二）15:10-17:00微电子的历史变迁张海霞22016-2-25（四）8:00-9:50微电子的材料与工艺（1）张海霞二32016-3-3（四）8:00-9:50微电子的材料与工艺（2）张海霞三42016-3-8（二）15:10-17:00实验课1：重点实验室参观韩德栋52016-3-10（四）8:00-9:50半导体物理预备知识(1)蔡一茂四62016-3-17（四）8:00-9:50半导体物理预备知识(2)蔡一茂五72016-3-22（二）15:10-17:00实验课2：图形转移工艺韩德栋82016-3-24（四）8:00-9:50MOSFET器件（1）蔡一茂六92016-3-31（四）8:00-9:50MOSFET器件（2）蔡一茂七102016-4-5（二）15:10-17:00实验课3：半导体基本特性韩德栋112016-4-7（四）8:00-9:50布尔逻辑及CMOS反相器贾嵩八122016-4-14（四）8:00-9:50CMOS反相器直流特性贾嵩九132016-4-19（二）15:10-17:00实验课4：MOS器件仿真贾嵩142016-4-21（四）8:00-9:50CMOS反相器瞬态特性贾嵩十152016-4-28（四）8:00-9:50CMOS与非门/或非门贾嵩十一162016-5-3（二）15:10-17:00工艺、器件、电路习题课助教172016-5-5（四）8:00-9:50微机电系统MEMS张海霞十二182016-5-12（四）8:00-9:50典型MEMS器件(1)张海霞十三192016-5-17（二）15:10-17:00实验课5：MOS电路仿真贾嵩202016-5-19（四）8:00-9:50典型MEMS器件(2)张海霞十四212016-5-26（四）8:00-9:50典型MEMS器件(3)张海霞十五222016-5-31（二）15:10-17:00实验课6：PSOC何燕冬232016-6-2（四）8:00-9:50微电子学的挑战与进展蔡一茂十六242016-6-9（四）8:00-9:50课程总结全体出勤率：无故旷课超过3次的视为自动放弃！课堂秩序：电话静音，电脑关机，提问举手！课堂互动：鼓励提问和回答问题分组讨论，务必积极参加！平时作业：每部分内容两道作业题；实验课：务必全部参加！实验报告：6次实验课，限三次实验报告。教师联系：张海霞，hxzhang@微纳电子大厦319（办公室）（微信），62767742（办公电话）课程要求张海霞（Alice），女，博士，教授，河南人北京大学信息科学技术学院微电子学系第一讲

微电子的历史变迁张海霞(Alice)2016年2月23日一、世界微电子的历史二、中国微电子的历程三、为什么要学微电子主要内容一、微电子历史1、第一个晶体管的发明2、集成电路的发明3、仙童与硅谷神话4、50年创造的奇迹5、影响世界的5个人1947年12月16日第一个点接触晶体管贝尔实验室的“圣诞礼物”。晶体管的发明是本世纪最伟大的发明之一，它深刻地改变了人类的技术发展进程。第一个晶体管的发明第一个晶体管：取名为trans-resister(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。1956年，诺贝尔物理学奖授予：约翰·巴丁（JohnBardeen）、威廉·肖克利（WilliamShockley）、华特·布拉顿（WalterHouserBrattain）。1948年1月23日第一个结型晶体管在贝尔实验室诞生第一个结型晶体管的发明1948年1月23日，点接触晶体管发明后一个月，肖克利想到结型晶体管(PNP)的方法。1950年11月，肖克利出版了经典著作“半导体中的电子和空穴”。1951年，他领导研制出第一个可靠的结型晶体管。威廉·肖克利（WilliamShockley）1952年5月英国科学家达默提出电路集成化的最初设想：由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。第一个晶体管集成化的设想1958年，美国TI公司工程师杰克.基尔比进一步大胆设想：“能不能在一块半导体晶片上将电阻、电容、晶体管等分立电子元器件都集成在里面”？1959年2月，TI申请第一个集成电路发明专利1958年9月12日研制出世界上第一块集成电路2000年获得诺贝尔物理学奖1958atTexasInstruments第一块平面晶体管和原始集成电路杰克.基尔比JackKilby“为现代信息技术奠定了基础”1955年，如日中天的威廉-肖克利荣归加州建立了肖克利实验室股份有限公司1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。1954年10月18日：第一台晶体管收音机RegencyTR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。产业化之路诺伊斯（N.Noyce）摩尔（R.Moore）布兰克（J.Blank）克莱尔（E.Kliner）赫尔尼（J.Hoerni）拉斯特（J.Last）罗伯茨（S.Boberts）格里尼克（V.Grinich）1957年，八大天才叛逆事件仙童公司与硅谷神话1957年成立仙童公司（FairchildSemiconductor），在硅谷嘹望山查尔斯顿路租下一间小屋，距离肖克利实验室和距离当初惠普公司的汽车库不远。1959年硅基平面双极型集成电路第一块硅基平面双极型集成电路1959年7月30日，诺伊斯向美国专利局申请了专利。两家公司开始旷日持久的集成电路的发明权的争夺。1959年7月，仙童开发出全平面工艺制成半导体集成电路。1960年制造出第一块可实际使用的单片集成电路1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯（RobertNoyce）。1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。扩散、掩模、照相、光刻……，整个过程叫做平面处理技术，它标志着硅晶体管批量生产的一大飞跃，也仿佛为“仙童”们打开了一扇奇妙的大门，使他们看到了一个无底的深渊：用这种方法既然能做一个晶体管，为什么不能做几十、几百乃至成千上万个呢？1959年1月23日，诺依斯在日记里详细地记录了这一闪光的设想。1957年，接受纽约仙童照相器材公司投资正式成立1959年7月，开发出全平面的半导体集成电路工艺1960年，制造出第一块实用的单片集成电路，开启市场大门1965年，营业额近2亿美元，利润惊人，批量生产百万富翁！仙童半导体公司1968年初，仙童公司行销经理杰瑞•桑德斯(JerrySanders)的出走，创立超微科技(AMD)公司仙童涅槃1967年2月，查理•史波克(CharlesSporck)等自创国民半导体公司(NationalSemiconductor)1968年7月，罗伯特·诺依斯(RobertNoyce)、高登·摩尔(GordonMoore)、安迪格罗夫(AndyGrove)最后离开仙童成立了Intel……1971年1月11日，DonHoefler《每周商业》：SiliconValley，硅谷诞生！硅谷神话硅谷人才摇篮80年代初的畅销书《硅谷热》（SiliconValleyFever）写到：“硅谷大约70家半导体公司的半数，是仙童公司的直接或间接后裔。在仙童公司供职是进入遍布于硅谷各地的半导体业的途径。1969年在森尼维尔举行的一次半导体工程师大会上，400位与会者中，未曾在仙童公司工作过的还不到24人。”仙童公司就象个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。----乔布斯1961年前后逐渐形成照相制版、掩模、曝光、刻蚀、氧化、扩散、外延、蒸镀等平面处理技术，硅集成电路从实验室跨入工业批量生产大门，由“发明时代”进入“商用时代”。1966年，贝尔实验室采用硅外延平面工艺制造出世界第一块公认大规模集成电路，人类社会由此进入“硅器”时代。从1960年开始的50年神话第一个TTL逻辑电路

BeesonandRuegg,Fairchild:ISSCC1962第一个CMOS逻辑电路F.M.WanlessandC.T.Sah(Fairchild)atISSCC1963集成电路的分类双极型集成电路：依赖于电子和空穴两种类型的载流子；有PNP，NPN型。特点：速度高、驱动能力强，缺点是功耗大、集成度低；单极型集成电路：指MOS（金属-氧化物-半导体），依赖于半导体表面电场感应产生的导电沟道工作，起主要作用的是一种载流子（电子或者空穴）；有CMOS、NMOS、PMOS等类型。特点：输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗低、集成度高；双极-MOS（BiMOS）集成电路：混合式。按器件结构类型分小规模集成电路（SSI）中规模集成电路（MSI）大规模集成电路（LSI）超大规模集成电路（VLSI）特大规模集成电路（ULSI）巨大规模集成电路（GSI）集成电路的分类按集成度高低分类从一个芯片1个晶体管到一个芯片集成数亿个晶体管从200个字节到32G（甚至64G）个字节一个房间150KW到今天2W手持电脑集成电路与计算机发展历程使微处理器这颗数字革命的心脏强劲跳动，为数字时代提供源源不断的动力含30亿晶体管的GF110，2010-10第一代第二代第三代第四代第五代十年一代1975-19851985-19951995-20052005-20152015-2025曝光波长436nm365nm248nm193nm13.4/10-6特征尺寸≧1um1-0.35um0.35u-65nm65-22nm22-7nm存储器bit﹤4M4M-64M64M-1G1G-16G﹥16G主流CPU8086-386PentiunproP4多核CPU晶体管104-105106-107108-1091010-10XCPU主频2-33MHz33-200MHz200-3800非主频标准硅片尺寸4-6″6-8″8-12″12-18″主流设计工具LE-P&RP&R-SynthesisSynthesis-DFMSoC系统设计主要封装形式DIP双列直插QFP平面安装BGA球栅封装SiP系统封装每十年产生一代的技术进步杰克.基尔比JackS.Kilby

集成电路发明者1958-9-12研制出世界上第一块集成电路2000年获诺贝尔物理学奖罗伯特.诺伊斯Robert.

Noyce发明可商业化量产的集成电路1959-7真正实现了半导体硅平面工艺创办仙童公司和英特尔公司戈登.摩尔Gordon.Moore发现“摩尔定率”1964发现并预言了摩尔定率仙童公司&英特尔(Intel)公司创始人之一CEO安迪格罗夫AndyGrove1986年提出“英特尔，微处理器公司，核心、双核、四核改变世界！”仙童公司&英特尔CEO张忠谋Zhangzhonmou1987年创建了一个纯芯片制造代工的台积电模式，开创了代工时代1985年台湾工研究院院长对世界最具影响力的五个人1972年，英特尔发布了第一个8位处理器8008。1978年：英特尔标志性地把8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBMPC的中枢大脑。1．IC制造商（IDM）：自行设计，由自己的生产线加工、封装，测试后的成品芯片自行销售。2．代工厂（Foundry，张忠谋的贡献）3、IC设计公司（Fabless）Fabless+Foundry模式：设计公司将所设计芯片最终的物理版图交给Foundry加工制造，同样，封装测试也委托专业厂家完成，最后的成品芯片作为IC设计公司的产品而自行销售。半导体产业的分类摩尔定律—半导体工业界的信仰从事实上讲，摩尔定律并不是一个物理定律，而是一种预言，一张时间表。它鞭策半导体产业界不断进步，并努力去实现它。从根本上讲，摩尔定律是一种产业自我激励的机制，谁跟不上，谁就可能被残酷地淘汰。摩尔定律已成为一盏照亮全球半导体产业前进方向的明灯。实际：约每三年集成度翻二番（4倍）;特征尺寸缩小到0.7倍(一个技术节点）1．集成电路芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月就翻一番。2．微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。3．用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。1965年4月19日，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。摩尔首次提出摩尔定律，1975年修正。摩尔定律还能适用多少年？2001年，贝尔实验室发明了世界上第一个分子级晶体管，从而成为继1947年发明，标志着通信和技术新时代到来的晶体管之后的又一个科学里程碑。2011年世界制造先进CMOS集成电路的半导体代工企业具有130纳米工艺节点的制造能力具有90纳米工艺节点的制造能力具有65纳米工艺节点的制造能力具有45/40纳米工艺节点的制造能力具有32/28纳米工艺节点的制造能力具有22/20纳米工艺节点的制造能力AMSSemico.DongbuHiTekGraceSemico.SMICUMCTSMCGlobalfoundr.SekoEpsonFreescaleInfineonSonyTexasInstrum.RenesasIBMFujitsuToshibaSTMicroelect.IntelSamsungDongbuHiTek（韩国东部）GraceSemico.（宏力）SMICUMCTSMCGlobalfoundr.SekoEpson（精工爱普生）FreescaleInfineonSonyTexasInstrum.RenesasIBMFujitsuToshibaSTMicroelectr.IntelSamsungSMICUMCTSMCGlobalfoundr.Infineon英飞凌西门子Sony（索尼）TexasInstrum.（德州仪器）RenesasIBMFujitsuToshibaSTMicroelectr.IntelSamsungSMIC（中芯国际）UMCTSMCGlobalfoundriesRenesas（瑞萨-日立三菱）IBMFujitsu（富士通）Toshiba（东芝）STMicroelectr.IntelSamsungUMC（台湾联华）TSMCGlobalfoundriesSTMicroelectr.（意发半导体）IntelSamsungTSMC（台积电）Globalfoundries（AMD阿联酋）Intel（英特尔）Samsung（三星）建设一家45nm技术节点、12英寸集成电路制造厂30-35亿美圆一台JBX3XXX电子束光掩模制造系统2000-3000万美圆相当一架波音7372007年Intel推出45nm正式量产工艺2009年Intel第一次推出22nm工艺沙里淘金台积电董事长兼CEO张忠谋透露，28nm几乎百分之百产能都在台积电手中，20nm占公司业务的20%，预计在2013年11月进行首批16nm工艺“风险”生产FinFET，一年后开始批量生产。2013-1-192012年12月英特尔宣布将与台积电合作十八英寸晶圆厂Intel’s16nmBecame14nm–Advanced10nmComingin20152011年05月05日：英特尔发明世界首个3D晶体管，称为tri-Gate。胡正明教授胡正明(ChenmingHu)，1947年7月出生于中国北京。1973年获美国UCBerkeley博士学位。现任美国加州大学伯克利分校杰出讲座教授。1997年当选为美国工程科学院院士。2007年当选中国科学院外籍院士。2015年12月22日，获得美国国家技术和创新奖。1999年胡教授发表有关FinFET的文章，实现两个重要突破，一是把晶体做薄后解决了漏电问题，二是向上发展，晶片内构从水平变成垂直，打破了原来英特尔对全世界宣布的半导体的限制，而这项技术现在仍看不到极限。目前，三星、台积电目前的14nm/16nm都依赖于FinFET技术。FinFET之父胡正明获美国技术和创新奖2015年12月22日《自然》2016年2月11日：ChipsaredownforMoor’sLaw下个月即将出版的国际半导体技术路线图（ITRS）将采取全新的方法二、中国微电子的发展历程1956年中国把半导体技术室列为四大紧急措施之一56-57五校联合在北京大学物理系举办的半导体专门化。黄昆、谢希德教授主持；58-68在北大物理学系设立的半导体专业成长壮大，培养了我国第一批专业人才，开展了固体理论、半导体器件、扩散、材料和表面物理等的研究；我国培养半导体人才的“黄埔军校”《半导体和它的应用》黄昆著北京科学普及出版社1956《半导体物理学》黄昆，谢希德著科学出版社1958《固体物理学》黄昆著，韩汝琦改编高等教育出版社19881957-1965分立器件研究1957年，北京电子管厂拉出锗单晶；1959年，天津电子管厂拉出硅单晶1962年，河北半导体所硅外延平面型晶体管1965年，第一块半导体集成电路诞生1965-1978文化大革命1978-1990复苏：引进二手设备，改善装备；1990-2000发展：908、909工程以CAD（熊猫工程）为突破口，完善建设基地与人才培养；2000年起飞：以中芯国际为代表的代工厂引领产业化加速，科研全面开花黄昆王阳元2001年9月25日，投资金额14．8亿美元的中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，在上海张江高新科技园区举行了“中芯第一芯”投产庆典，庆祝第一片8英寸、0．25微米以下线宽（指芯片上晶体管之间的距离，越短则同一个芯片上可排列的晶体管越多，技术水平越高）的芯片上线生产。

1968197119741977198019831986198919921995199820012004200720102013201619681971197419771980198319861989199219951998200120042007201020132016光刻工艺特征尺寸芯片集成度1×1012256×10964×10916×1094×1091×109256×10664×10616×1064×1061×106256×10364×10316×1034×1031×1038.0um5.0um3.0um2.0um1.3um0.8um0.5um0.35um0.25um0.18um0.13um90nm65nm45nm32nm22nm中国IC产业中芯国际（SMIC)；中科院微电子所（IMECAS)；中科院微系统所（SIMS)；清华大学；北京大学；复旦大学；浙江大学；上海集成电路研发中心（ICRD）世界IC产业十二五十一五十.五九.五八.五七.五六.五五.五1986年最细线宽0.5um1995年最细线宽0.18um2004年最细线宽22～50nm1980年最细线宽1.0um发展历程8英寸(200mm)硅片中芯国际(上海SMIC）0.35-0.13um；0.35-0.11um0.35um-90nm铜布线；太阳能晶片；ICS中芯国际(天津SMIC）0.35-0.13um中芯国际(成都SMIC）0.35-0.18um中芯国际(深圳SMIC)0.25-0.13um力晶半导体(N/APSC)0.25-0.18um中国大陆芯片制造工艺水平（1995-2011）12英寸(300mm)硅片中芯国际（北京SMIC)90nm90nm；BEOLcopperprocesses中芯国际(上海SMIC）90-45nm中芯国际(武汉SMIC)90nm中芯国际(深圳SMIC)45nm海力士-恒忆（无锡Hynix-Numonyx）70nm英特儿(大连Inbtel)90-65nm华虹集团(上海张江HHGroup)90-65nm8英寸(200mm)硅片华虹NEC(上海金桥HHNEC)0.35-0.13um；0.35-0.18um(上海张江HHNEC)0.35-0.18um宏力（上海张江Grace）N/A；0.25-0.15um和舰科技（苏州HeJian）0.35-0.15um；0.35-0.13um上海先进（漕河泾ASMC）0.35um上海台积电（松江TSMC）0.25-0.18um绿山集成电路（南通GMIC）0.5-0.25um晶诚科技（郑州HCCC）MOSFET/PWM茂德科技（重庆ProMOS）0.25-0.18um华润上华（无锡CSMC）0.35-0.18um上海力芯（紫竹科技园BCD）Bipolar/BiCMOS方正微电子（深圳FMIC）CMOS/BiCMOS6英寸(150mm)硅片比亚迪半导体（宁波BYD）CMOS/BiCMOS0.5-0.35um上海先进（漕河泾ASMC）4-1umBipolar；0.8-0.6um首钢NEC（北京SGNEC）1.5-0.35um杭州士兰（杭州Silan）0.8-0.6um杭州立昂（杭州Lion）SchottkyChip珠海南科（珠海ACSMC）3-0.5um上华科技（无锡CSMC）0.25um科希-硅技（沈阳TSLS）FBAR/LED方正微电子（深圳FMIC）0.35um/SiGe；0.35um/SiGe西岳电子(西安XiyueElectronics0.35umCMOS/BiCMOS八达通用微电子（哈尔滨BCUSIRC/RCD安吉利半导体（昆山Anadigics）GaAs《国