集成电路技术及其发展趋势

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第一章绪论1947年12月16日，基于JohnBardeen提出的表面态理论、WillianmShockley给出的放大器基本设想以及WalterBrattain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JackS.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，JeanHoerni和RobertNoyce，在FairchildSemiconductor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，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。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，16KBDRAM和4KBSRAM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5MHz8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC。1981年，256KBDRAM和64KBCMOSSRAM问世。1985年，80386微处理器问世，20MHz。1988年，16MBDRAM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，1MBDRAM进入市场。1989年，486微处理器推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用0.8μm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0.6μm工艺。1995年，PentiumPro，133MHz，采用0.6～0.35μm工艺。1997年，300MHz奔腾Ⅱ问世，采用0.25μm工艺。1999年，奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μm工艺，后采用0.18μm工艺。2000年，1GBRAM投放市场。2000年，奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μm工艺。2001年，Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工艺。2004年，奔腾4E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：1.1965～1978年以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产品，初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件.2.1978～1990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。3.1990～2000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。4.2000～2005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、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6～8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（BipolarTechnology）、CMOS工艺（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成度高低的不同可分为小规模集成电路(SmallScaleIntegratedcircuits，SSI)、中规模集成电路(MediumScaleIntegratedcircuits，MSI)、大规模集成电路(LargeScaleIntegratedcircuits，LSI)、超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegratedcircuits，VLSI)、uLSI特大规模集成电路(ultraLargeScaleIntegratedcircuits)、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(GigaScaleIntegration，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9～19层金属布线。晶片集成和三维集成技术也正在研究开发。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，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。1GDRAM(芯片面积700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直径200mm)，2000年开始商业化生产，2004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0.13μmCMOS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0.35μm工艺线的投资约20亿美元，但在几年内一条12英寸0.09μm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，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5～6英寸硅片、0.8～1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6～8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8.06亿块，年销售额为3.6亿元；江苏长电科技公司年