微电子-信息社会的基石--张兴.ppt

1、1,微 电 子 -信息社会的基石 北京大学 张 兴 2003年11月29日,2,绪 论,什么是微电子学 微电子科学技术和产业的战略地位 微电子技术的发展历史 21世纪硅微电子学发展方向 我国微电子技术和产业现状和前景 结束语,3,电 子 学,微电子学,4,微电子学：Microelectronics 微电子学微型电子学 核心集成电路,5,集成电路： Integrated Circuit，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、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（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,6,封装好的集成电

2、路,7,集成电路,集成电路的内部电路,8,硅单晶片与加工好的硅片,9,集成电路芯片的显微照片,10,64M SDRAM （华虹NEC生产） 芯片面积5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,11,集成电路的内部单元,12,沟道长度为0.15微米的晶体管,栅长为90纳米的栅图形照片,13,50m,100 m 头发丝粗细,30m,1m 1m (晶体管的大小),3050m (皮肤细胞的大小),90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,14,集成电路设计与制造的主要流程框架,15,集成电路 的设计过程： 设计创意 + 仿真验证,设

3、计业,16,制造业,芯片制造过程,AA,17,封装好的集成电路,封装与测试业,18,几个概念,微电子学： Microelectronics 一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法 集成电路IC（Integrate Circuit） ： 一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成 芯片：chip 没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SOC（system on a chip）： 微电子学和集成电路技术发展的产

4、物，指在单芯片上实现系统级的功能,19,微电子科学技术的战略地位,20,信息技术的领域,基础： 软件、 微（纳）电子与光电子,关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信,信息获取,信息处理,信息传输、交换,信息存储,信息的随动执行和应用,核心和基础： 微电子,21,实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子 1946年第一台计算机：ENIAC,22,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pen

5、nsylvania 18,000个电子管组成,大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min,23,实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子 1946年第一台计算机：ENIAC,这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量,24,25,集成电路的作用,小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低,26,统计数据表明，发达国家

6、在发展过程中都有一条规律 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI） 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP） 一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDP,27,根据IMF RIC1.7REI REI3RGNP,28, 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位,29,我国IT企业与Intel公司利润的比较,同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。,30,如果我们不发展集成电路产业 IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱

7、”。 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。 当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。,31,没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷,32,微电子对信息社会的重要性,INTERNET基础设施 各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线 . 路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关 . 终端设备：PC、NetPC、WebTV . 网络

8、基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE . INTERNET服务 信息服务: 极其大量的各种信息 交易服务: 高可靠、高保密 . 计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”,33,2020年世界最大的30个市场领域：其中与 微电子相关的21个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）,微电子产业的战略重要性,34,微电子科学技术的发展历史,35,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,36,1958年第一块集成电路：TI

9、公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,37,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze 非挥发存储器 1968年Dennard单晶体管DRAM 1971年Intel公司微处理器计算机的心脏 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新,38,第一个CPU：4004,39,Pentium III CPU芯片,40,信息技

10、术发展的三大规律,摩尔定律即电子定律：集成电路的集成度每18个月翻一番； 超摩尔定律即光子定律：光纤传输的数据总量每9个月翻一番； 迈特卡夫定律：网络的价值以联网设备数的平方关系成正比,41,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力 集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律,微电子发展的规律,42,基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。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度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为

11、摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,43,集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,From S.M.SZE,44,微电子技术的三个发展方向,45,硅微电子技术的三个主要发展方向 特征尺寸继续等比例缩小 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等,微电子技术的三个发展方向,46,47,速度加快了！,0.1m,Sub 0.1m,49,2030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况,诞生基于新原理的器件和电路,50,集成电路走向系统

12、芯片,51,集成电路走向系统芯片,52,IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求,IC设计与制造技术水平的提高， IC规模越来越大，已可以在一个 芯片上集成108109个晶体管,分立元件,集成电路 I C,系 统 芯 片 System On A Chip (简称SOC),将整个系统集成在 一个微电子芯片上,在需求牵引和技术 推动的双重作用下,系统芯片(SOC)与集成 电路(IC)的设计思想是 不同的，它是微电子技 术领域的一场革命。,集成电路走向系统芯片,53,六十年代的集成电路设计,54,八十年代的电

13、子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成 工艺无关,系统,55,世纪之交的系统设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,56,IPs in SOC,CPU,Networks,Peripheral,ADC,Embedded DRAM,Glue Logic,QAM/,QPSK,E,E,P,R,O,M,F,l,a,s,h,E,P,R,O,M,Embedded,SRAM,Embedded,ROM,DSP,Core,MCU,DAC,IPs in SOC,OSC,P,L,L,57,SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、

14、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计 SOC的优势 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器 使DRAM和CPU之间的速度接近,集成电路走向系统芯片,58,SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标 若采用IS方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 0.18m工艺制作的IC所实现的同样

15、系统的性能 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低,集成电路走向系统芯片,59,21世纪的微电子 将是SOC的时代,60,SOC技术刚刚起步，层出不穷 将从目前的3G逐步发展到3T时代 存储容量由G位发展到T位 集成电路器件的速度由GHz发展到THz 数据传输速率由Gbps发展到Tbps 注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数,61,MEMS技术和DNA芯片,62,微电子与其他学科结合,微电子技术与其它学科相结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点 MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的

16、生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合的产物,63,MEMS,微电子学,64,MEMS技术和DNA芯片,从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,65,MEMS技术和DNA芯片,MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性器件能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定

17、控制和玩具 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等,66,光开关,微机械1X4光开关,微机械1X8光开关,67,新器件组件,线性马达,68,MEMS技术和DNA芯片,MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期,69,MEMS技术和DNA芯片,70,大机器加工小机器，小机器加工微机器,微机械,用微电子加工技术,X光铸模+压塑技术(LIGA),从顶层向下,从底层向上,分子和原子级加工,国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。 2000年有

18、120-140亿美元市场 相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长,MEMS,微系统,MEMS系统,71,MEMS技术和DNA芯片,DNA(脱氧核糖核酸)芯片为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点 它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物 具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片,72,MEMS技术和DNA芯片,采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万

19、种DNA基因片段的芯片 利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况 遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等 Stanford和Affymetrix公司已经在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片。包括6000余种DNA基因片段,73,MEMS技术和DNA芯片,A B C D,74,MEMS技术和DNA芯片,75,MEMS技术和DNA芯片,76,77,我国微电子发展概况,78,我国微电子学的历史,1956年五校在北大联合创建半导体专业 北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学 教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 学生：王阳元、许居衍、陈星弼、秦国刚 1977年北京

20、大学诞生第一块大规模集成电路 1K SRAM 2001年7校的微电子专业评为国家重点学科 北大、清华、复旦、南大、上交大、西电、成电 2003年9月成立9个国家IC人才培养基地 北大、清华、复旦、浙大、西电、上交大、成电、东南、华中科大,79,我国微电子学的历史,1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组 80年代：初步形成三业分离状态 制造业、设计业、封装业 2001年：成立7个国家集成电路产业化基地 北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都,80,中国集成电路产业的累计投资额 数据来源：徐小田,我国在微电子领域的投资,亿元,年代,81,我国年微电子发展展望,我国IC制造企业地区分布

21、及销售情况,82,我国年微电子发展展望,上海IC产业发展战略目标,到2010年总投资量600亿美元，建成20 40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂 带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业,83,我国年微电子发展展望,北京微电子研讨会：S + 1 2001年 10 20条集成电路生产线 零地租30年 政府跟进总投资的15% 天津 深圳,84,我国年微电子发展展望,上海中芯国际： 8英寸，0.13微米，4.2万片/月 北京中芯 12英寸，0.10微米 上海宏力 8英寸，0.13微米，4万片/月 天津Motorola MOS17 8英寸，0.25微米，6000片/周,85,我

22、国微电子发展展望,上海贝岭 8英寸，0.5 0.35微米数模混合集成电路，1.5万片/月 杭州士兰 6英寸,86,Domestic Supply Far Lags Demand,Demand gap is projected to widen to US$27.6 bn by 2005,Source: China Center of Information Industry Development, 07-02-02,China IC Demand vs. Supply,US$12.9 bn,US$27.6 bn,87,未来十年将是我国微电子产业的黄金时期,88,集成电路设计业迅速发展,国内设

23、计企业一派欣欣向荣的景象 龙芯等各种CPU为代表的高性能芯片 设计企业已经突破400家 设计业具有巨大的市场空间和创新空间 产值迅速增长,89,高级工程技术人才和设计人才短缺已成为产业发展的制约因素。美国现有设计人才已40万人，中国设计人才不足万人。,大陆IC设计业恐现人才荒2010年人才需求25万人 2010年大陆将成为全球第二大半导体市场，IC设计人才需求亦将成长至25万人，然以大陆培养专业人才的速度来看，未来大陆IC设计人才恐将极度短缺。 该报指出，大陆IC设计产业市场需求的平均每年将成长20%以上，预计2005年将达人民币365亿元，加上2010年大陆将成为全球第二大半导体市场，届时大

24、陆将需要约25万名IC设计人才。 但当前大陆尚未有IC设计专门学校，而设有相关科系的大专院校只有十数所，据北京日报统计，大陆每年仅约增加300名IC设计硕士投入业界，未来IC设计人才严重不足的问题，将阻碍大陆半导体产业发展。 有鉴于此，大陆当局于十五计画中，将研发超大型集成电路（ASIC）及软件列为12项重大科学技术研究计画的其中之一，藉由国家政策加速人才养成，并期望能在2010年成为IC设计大国。 资料来源：研究中心王淑仪综合外电， 台湾电子时报2002/10/18,90,问题关键在于培养上 首先要增加微电子人才培养的量 其次可跨越现有专业界限，培养既懂系统，又具有微电子基础的复合型设计人才

25、 第三，建立给高年级学生、硕士、博士生有设计创新实践机会的“多目标芯片教育与服务体系”,91,集成电路概念早在1952年由英国Dummer博士提出，但为什么却于1958年发明在美国？ 总结的体会是： 美国有相关技术基础 美国有需求（特别是军事） 宽松、鼓励创新的环境 激励机制(鼓励科技人员创业、员工持股) 复合型的人才和多学科组合的攻关队伍,人才培养与环境,92,人才是微电子产业的瓶颈,自主知识产权的SOC是竞争的基础 拥有大量高水平人才是发展SOC的核心和关键 人才培养体系的创新 传统人才培养与产业脱节 传统人才的培养在创新方面有很大的不足 传道、授业、启惑(而不是解惑),93,北京大学微电

26、子研究院简 介,94,50年代，黄昆院士 中国第一个半导体专门化,70年代，王阳元院士 中国第一块硅栅N沟道1K MOS DRAM,自80年代以来，很大的发展,2001年国家重点学科评审：100分,北京大学 中国微电子的起源地和摇篮之一,95,北京大学微电子所概况,北京大学微电子学研究院 前身是1956年黄昆院士领导下的我国第一个半导体专门化 1978年成立微电子学研究室 1986年成立微电子所 2002年成立微电子系/微电子学研究院,96,学位授予权情况 学士学位：微电子学 硕士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统 工程硕士学位：集成电路工程 博士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统 博

27、士后流动站：微电子学与固体电子学,97,北京大学微电子所概况,教师 中国科学院院士：1人(王阳元院士) 博士生导师：12人 教授：15人 拥有博士学位人员：36人 学生 博士研究生：20 人/年 硕士研究生：45 人/年 工程硕士：30人/年 本科生：65人/年,98,北大微电子所的研究基地建设,微米纳米加工技术国家级重点实验室 微电子新工艺新器件新结构电路国家计委专项实验室 北京市软硬件协同设计高科技重点实验室,99,ICP刻蚀机,LPCVD系统,双面光刻/键合系统,100,新工艺新器件结构电路国家专项实验室,101,102,应用开发,关键技术,基础研究,超深亚微米/纳米新器件及集成技术,S

28、OC设计方法学及ASIC设计,MEMS技术,CMOS/SOI新器件 深亚微米器件电路EDA技术 深亚微米MOS器件失效机制与表征技术 GeSi/Si HBT器件,系统芯片中新器件新工艺基础研究 亚50纳米器件机理、模型、结构和工艺 纳米电子器件物理,SIMOX材料 CMOS/SOI电路 GeSi/Si分频器,SOC设计方法学 基于NP难解问题的器件参数提取,嵌入式微处理器(8、16位) 建库技术、IP库建立 嵌入式芯片设计技术 射频器件和电路,安全保密芯片 红外焦平面读出芯片 机顶盒芯片,微系统设计方法、建模、数据库和仿真 三维加工、材料、封装组装和可靠性研究,传感MEMS器件 信息MEMS器

29、件 生物MEMS器件,与IC的兼容设计 MEMS工艺标准化 MEMS封装技术,103,超深亚微米/纳米 新器件及集成技术,104,北大微电子所牵头的973项目,系统芯片中新器件新工艺基础研究 北京大学 清华大学 中国科学院微电子中心 中国科学院半导体所 中国科学院上海微系统与信息技术研究所,105,亚100纳米半导体器件研究(973) 新型器件结构 新型器件模型、模拟以及模拟软件开发 高k介质、金属栅电极新型栅结构 器件可靠性 新型半导体器件 SOI器件 GeSi/Si、GeSiC/Si HBT器件 FeRAM 新型半导体器件工艺模块 超微细加工技术 超浅结工艺 SALICIDE工艺 超薄栅介

30、质制备技术,106,84.6nm线条,107,30纳米线条的SEM照片,40纳米线条的SEM照片,108,CMOS/SOI工艺已在多家单位推广应用,CMOS/SOI工艺模块及门阵列电路,109,创建了比例差值算符的新概念，在国际上首先实现了对新生缺陷的在线检测及参数提取 开发了小尺寸器件可靠性测试系统BC2931A 已用于0.25微米器件寿命的预测,小尺寸MOS器件寿命预测机理及设备,110,亚100纳米MOS器件模拟软件 超低能离子注入工艺模拟软件 CMOS/SOI电路模拟软件 已经销售或推广到多家单位,超深亚微米/纳米器件和电路仿真工具,111,系统集成芯片(SOC)及专用集成电路(ASIC)设计,112,SOC设计方法学 软硬件协同设计理论 参数提取(973) 建库技术 IP库(863) 嵌入式微处理器核 专用集成电路设计 信息安全芯片 红外焦平面驱动电路,113,嵌入式微处理器,16位可裁剪的RISC微处理器PKUEP 指令集与ARM7的THUMB指令集兼容，指令功能齐全、代码密度大的特点 三级流水设计 0.8微米工艺，71000个晶体管,114,嵌入式微处理器,与ARM7TDMI指令集兼容微处理器PKURS-001 与ARM7