第一章半导体器件与工艺技术的发展课件

,单击此处编辑母版标题样式,2014/9/29,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺技术,中国半导体工业的发展,微电子技术发展,第一章、半导体器件与工艺技术的发展,2,半导体工艺技术第一章、半导体器件与工艺技术的发展2,1,推动半导体业进步的两,个,轮子：,工艺,尺寸,缩小,和,硅片,直径增大,，而且总是尺寸缩小为先,。超大规模集成电路的设计,和,制造所,需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔,18,到,24,个月，半导体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势,：,提高芯片,性能 提高,芯片可靠性,降低,芯片成本,一、半导体工艺技术的发展,推动半导体业进步的两个轮子：工艺尺寸缩小和硅片直径增大，而且,2,1.1,趋势,1,：提高芯片性能,从,20,世纪,60,年代,早期，小规模集成电路,时代以来，半导体微芯片的性能已得到了巨大的提高,。,判断,芯片性能的一种通用方法是,速度,。,器件,做得越小，在芯片上放置得越密，,芯片的速度,就,会越快。这,是因为通过电路得电信号传输距离更短了,。,提高速度的另一方法：,使用材料，通过芯片,表面的电路,和器件来提高,电信号的传输,。,从20世纪60年代早期，小规模集成电路时代以来，半导体微芯片,3,关键尺寸,芯片,上的物理尺寸特征被称为特征尺寸,。,描述,特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸,。硅片,上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或,CD,。,自,半导体制造业开始以来，器件的,CD,一直在缩小，从,20,世纪,50,年代初期以大约,125um,的,CD,开始，目前主流,是,45nm,或者更小,，可以,量产的最小,CD,已达到,28nm,。,半导体,产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用,CD,。从,1um,以下的,CD,实际的和预计的产业技术节点如下表所示,。,关键尺寸,4,观察近期的报道，,2013,年应该进入,14,纳米节点,，而且,仍是英特尔挑起大樑,。,尽管,摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩，但是,14nm,的步伐仍按期走来，原因究竟是什么,?,-,传统的光刻,技术与日俱,进,观察近期的报道，2013年应该进入14纳米节点,5,当,尺寸缩小到,22/20nm,时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的,两,次,或多次,图形,曝光技术,。,提高,光刻的分辨率,有三个,途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径,NA,以及,减少工艺参数。,显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的,193nmArF,光源是首选，再加入浸液式技术等，实际上达到了,28nm,，几乎已是,极限。,光刻技术,当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能力，必须采,6,因此可以相信，传统的,193nm,浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术,(DP),，甚至,4,次，从分辨率上在,2015,年,时有可能达到,10nm,，这取决于业界对于成本上升等的容忍度,。,何时,能够,到,7nm,或,5nm,？,截至,今日尚无人能够回答，因为,EUV,何时进入也不清楚。乐观的估计可能在,2015,年或,2016,年,。,如,果真能如愿，可能从,10nm,开始就采用,EUV,技术，一直走到,5nm,。,但是,目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路,。,因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图形,7,Nikon,正努力延伸,193nm,的浸液式技术，甚至包含,450mm,硅片,;,而,ASML,阿斯麦,（,中国大陆,）、艾司,摩尔,（,中国,台湾,）,总部,设在,荷兰,全球,最大的半导体设备制造商之一,，,ASML,的股票分别在,阿姆斯特丹,及,纽约,上市,。,ASML,由于,获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快,NXE3300B,实用机型,的设备,在客户处使用，累积产出硅片已达,44000,片。另外，下一代,EUV,设备,NXE3300B,已开始安装调试，计划,2013,年供货。,Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450m,8,ASML,2013,年描绘,了业界期待已久的,EUV,光源路线图，近期,Cymer,公司已推出了专为,ASML,光刻机配置的,40W,极紫外,(EUV),光源，工作周期高达每小时,30,片，并计划在,2014,年时,NXE3300B,中的光源升级达到,50W,，相当于,43WPH,（,wafers per hour,),水平,。而,100W,光源可能要等到,2015,年或,2016,年，相当于,73WPH,。至于何时出现,250WEUV,光源，至少目前无法,预测。,500W,光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题,。,ASML2013年描绘了业界期待已久的EUV光源路线,9,只要实现,73WPH,，可以认为,EUVL,已达到量产水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。,在,10nm,节点以下如果继续釆用多次曝光技术，则可能需要,4x,甚至,8x,的图形成像技术。,只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平，因为与多,10,元件芯片,的特征,尺寸减小，在,硅片上制作,元件的数量就更多。,对于微处理器，通过,减小,芯片,CD,，,增加芯片的,集成度，提高芯片,表面的晶体管,数量，由于,芯片上的晶体管数连年急剧增加，芯片性能也已提高（见图）。,每块芯片上的元件数,元件芯片的特征尺寸减小，在硅片上制作元件的数量就更多。对于微,11,摩尔定律,1964,年，戈登,摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始人，预言,在单位芯片,上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。,摩尔定律,12,功耗,芯片性能的另一,重要,参数,是功耗,。真空管,功耗很大,，而半导体器件确实,功耗很小。,随着器件的微型化，功耗相应减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗,却逐步降低（,见图）。这已成为便携式电子产品市场,增长的一,个关键性能参数。,功耗 芯片性能的另一重要参数是功耗。真空管功耗,13,Intels CPUYear of introductionTransistors,4004 1971 2,250,8008 1972 2,500,8080 1974 5,000,8086 1978 29,000,286,1982 120,000,386 processor 1985 275,000,486 DX processor,1989 1,180,000,Pentium processor,1993 3,100,000,Pentium II processor,1997 7,500,000,Pentium III processor 199924,000,000,Pentium 4 processor,2000,42,000,000,Intel,公司,CPU,芯片集成度的发展,Intels CPUYear of introduct,14,1.2.,趋势,2,：提高芯片,可靠性,芯片可靠性就是致力于使可靠性趋于,芯片寿命的功能的,能力。,技术,上的进步,已经提高了芯片产品得可靠性（,见下图,）,。,例如,，,通过无,颗粒空气净化,间的使用,以及控制化学试剂纯度，来控制沾污,。,为,提高器件可靠性，不间断地分析制造,工艺，减少污染的时间和空间。,通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样可变成在工作过程中低失效的产品。,1.2. 趋势2：提高芯片可靠性,15,第一章半导体器件与工艺技术的发展课件,16,1.3,趋势,3,：降低芯片,成本,半导体,微芯片的价格一直持续下降（,见下图,）,。,1996,年之前的近,50,年中，半导体微芯片的价格以一亿倍的情况下降。例如，,1958,年一个质量低劣的硅晶体管价值大约,10,美元。在今天，,10,美元可以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片,、,或,一,个等量的其他元件以及必要的互连以便做成一个有用的芯片,。等等。,1.3 趋势3：降低芯片成本,17,价格降低的两个原因：,CD,不断缩小，一片,硅片可生产,更多的芯片。,市场需求增大，形成规模经济。,价格降低的两个原因：,18,二、中国,半导体产业,发展,1947,年，美国贝尔实验室发明,了点接触,式,晶体管。,1956,年中国提出“向科学进军”，国家制订,了“,十二年科学技术发展远景规划”，,提出中国,也,要发展,半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施,之一,，,明确,了目标,。,中国,半导体材料从锗,(Ge),开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。,1957,年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶,。,1959,年天津拉制了硅,(Si),单晶,。,1962,年砷化镓,(GaAs),单晶，后来也研究开发了其它化合物半导体,。,黄昆,谢希德,林兰英,二、中国半导体产业发展 1947年，美国贝尔实验室发明了点,19,1957,我国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和,三极管。,为了,加强半导体的研究，中国科学院于,1960,年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所,-,第十三研究所。,1962,年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在,1963,年搞出了硅平面型,晶体管。,1964,年搞出了硅外延平面型晶体管。,1,、半导体器件,1957我国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和,20,在平面管之前不久，也搞,过锗,和,硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分,器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。,半导体所属工厂后改建为微电子,中心，所,生产的开关管，供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机,。,随后在北京有线电厂等工厂批量生产了,DJS-121,型锗晶体管计算机，速度达到,1,万次以上。后来还研制出速度更快的,108,机，以及速度达,28,万次、容量更大的,DJS-320,型中型计算机，该机采用硅开关管。,在平面管之前不久，也搞过锗和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制,21,在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半导体集成电路,。,中国,第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的,？,1965,年,12,月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了,DTL,型（二极管,DD,晶体管逻辑）数字逻辑电路,。,1966,年底,，上海,元件五厂鉴定,了,DTL,电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等,。,这,标志,着中国已经制成了自己的小规模集成电路。,2,、半导体,集成电路,在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半,22,3,、,我国半导体,工业,我国半导体产业起步于,1950,年代。,1965,年，我国已自主研制成第一块硅数字集成电路，仅比美国日本晚了几年，而且势头不亚于同处于半导体发展初期的美国,。,在,外部封锁条件下，我国半导体产业，按照军工主导、科研创新带动模式，形成了自己的一套产业体系。国家曾组织三次全国规模的大规模集成电路（,LSI,）大会战，以逻辑电路、数字电路为主，主要为计算机配套，开发出了自己的,109,、,130,、,220,、,370,计算机系列。而且自主开发出配套的设备、仪器、原料，形成了生产能力,。,3、我国半导体工业,23,随后的“文化大革命”耽误了,10,年。我们搞“文革”的,10,年，正是美国在半导体制造技术获得全面突破和进入大规模生产阶段，日本半导体产业崛起的时期。,3,1978,年，无锡,742,厂（今华晶厂）投资,2.8,亿，从日本东芝引进全套彩电用线性集成电路生产线（,5,微米技术），,1982,年起投产，,1985,年国家验收通过。华晶的全套引进在当时是比较成功的项目,。,1983,年改革开放以来，面对国外巨大的技术优势，我国半导体发展模式经历了重大转型,。,随后的“文化大革命”耽误了10年。我们搞“文革”的10年，,24,分散引进，,33,条,生产线成效甚微,“文革”结束后的,1980,年代初，努力追赶国际水平。中国科学院北京、上海两个半导体研究所，于,79,年试制成功,4K,存储器，,1980,年就做出,16K,，,1985,年做出了,64K,存储器。但是，在巨大的进口潮冲击下，,1980,年代后期停止了在通用电路方面的追赶（,256K,存储器的研发计划被搁置），转而走技术引进的路子。,分散引进，33条生产线成效甚微,25,1984,年是我国的“引进年”,。大量引进汽车、彩电,、冰箱,生产线，,同时,各,科研、制造单位和大专院校，大量引进半导体器件生产线,。,从,1984,年到“七五”末期，先后共引进,33,条集成电路,生产线共花费外汇,1.5,亿,美元。但是,，由于当时,“,巴黎统筹委员会,”,的禁运,政策（,巴统,1949,年,11,月在美国的提议下秘密,成立，,17,个国家，其宗旨,是执行对社会主义国家的禁运政策。禁运产品有三大,类：军事,武器装备、尖端技术产品和战略,产品）。,引进,设备,基本上是,已经淘汰的,，达不到,设计能力，只有,1/3,可以开动。而且，企业急功近利，只讲生产不重消化,，缺乏消化,吸收方案，也缺乏资金保障。这,33,条线绝大多数没有发挥作用。,1984年是我国的“引进年”。大量引进汽车、彩电、冰箱生产线,26,“908”,项目：从决策到投产用了,7,年,1990,年,8,月，国家决定投资,20,亿人民币，上马“,908,工程”。包括一条,6,英寸生产线,（在,华晶,厂），一个后封装,企业,，,10,个设计公司，还有,6,个设备项目,。,“,908”,工程是指国家发展微电子产业,20,世纪,90,年代第八个,五年计划,.,“,908,工程” 吸取了“,33,条线”教训，强调了集中投资,。,但是,，在实际上马过程中，仅仅立项就用了,4,年（,1994,年立项才获批准），突出暴露了我国决策机制之迟缓，不能适应高科技产业快节奏发展的弊病，最后还是引进一条二手,的,6,英寸生产线。直到,1997,年左右才建成。新加坡的,CHATER,公司也是,1990,年开始引进生产线，两年建成，三年投产，到今天已经成为国际著名半导体公司。,我们,从立项到建成投产，用了几乎,7,年时间，投产之日即是技术落后之时。技术已经前进了几代。,“908”项目：从决策到投产用了7年1990年8月，国家,27,“,909”,的成功，,增强了我国半导体产业界的,自信,20,多年来，我国半导体领域从争相引进、无所,建树，,“,909”,项目，可以说是到目前为止，我国由国家主导的半导体制造项目中最成功的一个。,该项目,1995,年立项，共投资,100,亿人民币，其主体是一条,8,英寸，,0.35,微米的生产线（,华虹,NEC,），其设备的先进性达到同期国际水平；另外还有若干集成电路设计公司。,1997,年开工建设，按照国际标准，,18,个月即建成，,1999,年底试投产。“,909”,是在吸取了历史教训基础上，由国家集中组织，一次性大规模投资取得的成果。,“,909”,引进了国际当今主流技术和装备，具有资产控制能力，为培养自己的队伍创造了极好的平台。正是“,909”,的成功，为上海和华东地区形成新兴半导体产业群落带来了大好契机。,“909”的成功，增强了我国半导体产业界的自信20多年来,28,半导体,设备长期被外国卡脖子,半导体产品平均,3,年更新一代，加工技术也随之升级，所以，半导体支撑产业,制造设备、测试仪器和原材料是产业升级的关键，其中,设备,更是产业的要害和咽喉。掌握了制造设备的创新能力才算到达了行业的制高点。在国际半导体界，关键设备的研制能力完全被美日欧洲企业所控制。韩、台、新加坡尽管芯片制造能力（主要是工艺）很强，但也没有开发关键设备的能力，基本依赖进口。当前，鉴于设备投资已达天文数字、并且还在按几何级数递增，国际半导体界开始走联合研制的道路（如,SEMATECH,，,IMEC,），但我国在制造技术方面还是,“小学”,水平，故没有真正进入这些国际组织。长期以来，我们在半导体领域的引进，受到来自西方的严格封锁、限制或遏制。“巴统”对我禁运清单中，先进半导体制造设备一向列在首位,。西方,对,我国,半导体技术的出口实行严格限制和封锁，力图对,我国保持,2-3,代的技术优势。,半导体设备长期被外国卡脖子,29,外国人在电子信息方面，对我们实行“围而不歼”。我们没有掌握的技术，他们不卖，但一旦我国自己研制出来，外国马上通知，这种产品和技术可以卖给我们，以抢占市场，这种例子,20,年来来举不胜举：,1981,年前，在集成电路关键设备方面对我国禁运。,1981,年，,我国接近,/,接触式光刻机在国内通过鉴定，,1982,年美国即向我出售接近,/,接触式光刻机。,1984,年，我们研制出图形发生器，同年美国,GCA,出售,3696,机给中国。,6,1985,年，清华、电子部某所鉴定投影光刻机，同年美国放宽这类设备的禁运。,1985,年,4,月，,700,厂平板等离子刻蚀通过鉴定，,85,年下半年等离子干法刻蚀开禁。,1986,年，我国,64K DRAM,研制成功，美国同年,10,月对华出口放松,3,微米技术。当时我国未掌握,2,微米技术设备和,4,英寸硅片,3,微米的整条生产线，谈判持续,8,年未放行。,自主研发与禁运,外国人在电子信息方面，对我们实行“围而不歼”。我们没有掌握的,30,我国电子,信息,市场需求和制造业,，,从,90,年代以来持续快速扩张，尤其是计算机、电信、互联网在城市中呈爆炸性的增长,。,近,10,年中，我国,电话,普及率从,4%,左右扩张到,20%,；,移动电话,从,80,年代,的空白,到,2001,年的,1,亿用户。但是，我国的电子信息产品制造业，基本上还停留在低附加值的装配业水准上。其原因,，是,电子,产品的,核心部件,半导体芯片，自己无力满足,。,面对,跨国公司对半导体设备的垄断，和国内产业界对外国设备的依赖， 许多企业掉进“引进陷阱”，无法形成良性循环。,综合科技水平，比西方落后,15-20,年，甚至,更大。,需求与,技术,我国电子信息市场需求和制造业，从90年代以来持续快速扩张，尤,31,我国的集成电路生产企业，只要质量过关，能饱满生产，利润率也在,20%,左右。但是，被看好的国产手机生产行业，,2000,年国内,11,个厂，只有两个企业赢利，原因就在于芯片依靠进口，被人家卡了脖子，芯片和软件进口成本已接近进口整机成本。现大量用的各种,IC,卡，当我们不会做时，进口一个卡,5,元，后来我们会做了，老外降到,3,元，现在大批量供应，他只好降,2,元,，我国,微电子领域这种状况，使我国的经济建设和国防建设的基础“,建在外国的领地上,”，严重受制于西方国家和跨国公司。,我国的集成电路生产企业，只要质量过关，能饱满生产，利润率也在,32,为什么半导体工业会有那么大的推动力？原因在什么地方,？传统,的,工业中大部分材料在,两个,9,到,4,个,9,的纯度。可一说到半导体，要,8,到,9,个,9,的纯度,。半导体,工业,，需要高纯、低,缺陷,、耐,腐蚀,等材料，,这个工艺是代表了一个国家的工业技术水平,。半导体工业制造的基础提高了，则整个工业基础提高了。因此,，这也能解释了为什么中国原子弹、氢弹能搞成功，卫星能上天，而集成电路不能很快突破。原因就是它是工业化基础的量产化产业。发展半导体工业,，一定跟你的技术、资金、人才相关,。技术要求高，投入大。,4,、为什么我们做不好半导体,为什么半导体工业会有那么大的推动力？原因在什么地方？传统的工,33,中国,IC,产业分布图,中国IC产业分布图,34,中芯国际集成电路制造有限公司,上海华虹,(,集团,),有限公司,华润微电子,(,控股,),有限公司,无锡海力士意法半导体有限公司,和舰科技,(,苏州,),有限公司,首钢日电电子有限公司,上海先进半导体制造有限公司,台积电,(,上海,),有限公司,上海宏力半导体制造有限公司,吉林华微电子股份有限公司,近年中国集成电路与分立器件制造主要企业是：,近年中国集成电路与分立器件制造主要企业是：,35,飞思卡尔半导体,(,中国,),有限公司,奇梦达科技,(,苏州,),有限公司,威讯联合半导体,(,北京,),有限公司,深圳赛意法半导体有限公司,江苏新潮科技集团有限公司,上海松下半导体有限公司,英特尔产品,(,上海,),有限公司,南通富士通微电子有限公司,星科金朋,(,上海,),有限公司,乐山无线电股份有限公司,近年中国集成电路封装测试主要企业是：,近年中国集成电路封装测试主要企业是：,36,炬力集成电路设计有限公司,中国华大集成电路设计集团有限公司,(,包含北京中电华大电子设计公司等,),北京中星微电子有限公司,大唐微电子技术有限公司,深圳海思半导体有限公司,无锡华润矽科微电子有限公司,杭州士兰微电子股份有限公司,上海华虹集成电路有限公司,北京清华同方微电子有限公司,展讯通信,(,上海,),有限公司,近年中国集成电路设计主要企业是：,近年中国集成电路设计主要企业是：,37,半导体企业列表,-,芯片制造,TSMC-,-,台湾积体电路制造股份有限公司,Semiconductor Manufacturing Company Limited,UMC-,联华电子公司,United Microelectronics Coporation,SMIC-,中芯国际集成电路制造股份有限公司,Semiconductor Manufacturing International Corporation,CSM-,特许半导体制造公司,Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd.,HHNEC-,上海华虹,NEC,电子有限公司,Shanghai Hua Hong NEC Electronics Company, Ltd.,GSMC-,宏力半导体制造有限公司,Grace Semiconductor Manufacturing,Corporation,半导体企业列表-芯片制造,38,ASMC-,上海先进半导体制造有限公司,Advanced Semiconductor Manufacturing Corp.of Shanghai,BCD-BCD,半导体制造有限公司,BCD Semiconductor Manufacturing Limited1,Belling-,上海贝岭股份有限公司,Shanghai Belling Co., Ltd.,HJTC-,和舰科技,(,苏州,),有限公司,HeJian Technology (Suzhou) Co., Ltd.,IC Spectrum-,德芯电子集成电路制造有限公司,IC Spectrum Co., Ltd.5 Hynix-ST-,海力士,-,意法半导体有限公司,Hynix-ST Semiconductor Ltd.,ASMC-上海先进半导体制造有限公司 Advanced,39,CSWC-,华润晶芯半导体有限公司,fChina Resources Semiconductor Wafer Chips Ltd.,CSMC-,华润上华科技有限公司,CSMC Technologies Corporation,GMIC-,南通绿山集成电路有限公司,Nantong Green Mountain Integrated Corp., Ltd,Silan-,杭州士兰集成电路有限公司,Hangzhou silan integrated circuits Co., Ltd.,SinoMOS-,中纬积体电路,(,宁波,),有限公司,SinoMOS Semiconductor (Ningbo) Inc.,SGNEC-,首钢曰电电子有限公司,Shougang NEC ElectronicCo.,Ltd,TJSemi-,天津中环半导体股份有限公司,Tianjin Zhonghuan Semiconductor Joint-stock Co.,Ltd.,Founder IC-,深圳方正微电子有限公司,Founder Microelectronics Inc.,ACSMC-,珠海南科集成电子有限公司,Advanced CMOS Semiconductor Manufacturing Corp.,XiYue-,西岳电子技术有限公司,XiYue Electronics Technology Co., Ltd.,WXIC-,武汉新芯积体电路制造有限公司,委托中芯国际,(SMIC),经营管理,Intel Corporation Fab-68 (in Dalian,China),CSWC-华润晶芯半导体有限公司fChina Reso,40,um,1999,2001,2003,2005,2007,2011,中国集成电路特征尺寸研究技术水平,（引进、合资以及独资）,um199920012003200520072011中国集成,41,中国大陆半导体产业作为国际产业链的一个环节，企业形态以代工型企业,(foundry),为主，产业结构偏重封装测试环节，国内企业规模和市场份额相对较小，产品单一，企业发展和技术水平还不够成熟稳定，行业处于成长期。,产业链结构缓慢向上游迁移：,IC,设计、制造和封装测试业所占的比重为,18.5%,、,30.7%,和,50.8%,。,而国际公认的合理比例是,3:4:3,芯片设计水平和收入逐步提高：,20%,的设计企业能够进行,0.18,微米、,100,万门的,IC,设计，,最高设计水平已达,90,纳米、,5000,万门,芯片生产线快速增长：,从,2006,年至今增加了,10,条线，平均每年增加,6,条。已经达到最高,90,纳米、主流技术,0.18,微米的技术水平。,中国半导体,产业的,“,生态,”,环境,中国大陆半导体产业作为国际产业链的一个环节，企业形态以代,42,集成电路芯片设计、芯片制造、芯片封装测试价值分布：,10,美元、,5,美元、,3.5,美元,设计行业和人员收入较高。,集成电路芯片设计、芯片制造、芯片封装测试价值分布：,43,三、微电子,技术,微型电子,技术,1,、概述,微电子学（,Microelectronics,）,是,研究在固体材料上构成微小型化电子线路、子系统及系统的电子学分支学科,。,它是,电子学最重要的组成部分，是计算机科学、信息科学、固态电子学、医用电子学,等发展,的,基础。,其,核心,集成电路,三、微电子技术微型电子技术1、概述,44,80100,m,头发丝粗细,50,m,30,m,1,m,1,m,(,晶体管的大小,),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,1m 1m90年代生产的集成电路,45,微电子的特点,微电子学是信息领域的重要基础学科,微电子学是一门综合性很强的边缘学科,涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科。,微电子学是一门发展极为迅速的学科,;,微电子学的,发展,方向,:,高集成度、低功耗、高性能、高可靠性等方向。,微电子的特点微电子学是信息领域的重要基础学科,46,微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。,微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统,(MEMS),、生物芯片等。,微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。,47,2,、微电子科学技术的战略地位,2、微电子科学技术的战略地位,48,核心和基础：,微电子,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,关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信,基础： 软件、 微（纳）电子与光电子,信息安全,信息管理,信息技术的领域,信息显示,核心和基础：信息获取信息处理信息传输、交换信息存储信息的随动,49,实现社会信息化的网络及其关键,部件,不管,是各种,计算机或通讯智能,机,，,它们的基础,都离不开,微电子,。,实现社会信息化的网络及其关键部件,不管是各种计算机或通讯智,50,51,近,30,年来，集成电路技术一直按照,“,摩尔定律,”,向前发展。集成电路工艺的特征尺寸越来越小，集成密度越来越高。,集成电路材料趋于多元化,:,（不仅仅是硅基、,SiO2,和铝引线等）,;,集成的元件,:,种类更多（各种存储器、传感器、放大器等）,;,集成的系统,:,更为复杂、庞大,;,集成电路的功能,:,更为完善和强大（一个芯片就是一个独立,完整的系统,-SOC,）,;,集成系统的功耗,:,更低，成为微电子技术的发展趋势。,21,世纪的微电子将是,SOC,（,System On Chip),的时代。,51 近30年来，集成电路技术一直按照“摩尔定律”向前发,微电子技术发展的,动力：,不断提高产品的性价比,。,集成电路产业的现状：,独立的设计公司（,Design House,）,独立的集成器件制造厂家（标准的,Foundry,）,独立的封装测试厂家（,Packaging),微电子技术发展的动力：不断提高产品的性价比。,52,第一章半导体器件与工艺技术的发展课件,53,第一章半导体器件与工艺技术的发展课件,54,3,、集成电路与产值,集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。,集成电路芯片价格：,10,1,10,2,美元,生产线的投资：,10,9,美元（,8,”,、,0.25,微米）,要想赢利：年产量,10,8,块,集成电路芯片是整机高附加值的,倍增器,，但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值。,每,l,2,元的集成电路产值可带动,10,元左右的电子工业产值，进而大,体能带动,100,元的,GDP,增长。,3、集成电路与产值集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和,55,摩尔定律将于,2016,年左右失效。,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,摩尔定律走向何方？,摩尔定律将于2016年左右失效。摩尔定律走向何方？,56,57,美国德州仪器,(TI),开发商大会,2012,年,5,月,26,日起在,中国深圳召开,。,在深圳的首场报告中，,TI,首席科学家,Gene Frantz,(,方进,),阐述了科技,将如何改变未来生活，并展示了一系列极富创意和前瞻性的崭新思想，,将与会者带入,2020,年的未来科技世界,。,这是微电子科技界让人充满期望的一次盛会。,57美国德州仪器(TI)开发商大会2012年5月26日起在中,方进,(Gene Frantz),为德州仪器,(TI),首席科学家，主要负责,发掘科技,创新的机会。并运用,TI,先进的数字信号处理技术开展创新业务,。,方进是电子工程师协会,(IEEE),的会员，在记忆存储，语音和消费电子以及,DSP,技术方面的专利多达,40,个。,方进(Gene Frantz)为德州仪器(TI)首席科学家，,58,59,4,、微电子技术应用的发展,方进指出，随着对视讯影像、车用电子、通讯设备、工业应用及医疗电子等相关应用的需求提升，全球,DSP(Digital Signal Processing),，、微控制器和模拟元件的需求持续以惊人的速度攀升，到,2020,年，全球嵌入式处理器市场将拥有,突破,300,亿美元的市场商机，模拟市场则有超过,1000,亿美元的市场规模。,594、微电子技术应用的发展方进指出，随着对视讯影像、车用电,60,绿色装置、机器人技术、医疗微电子等相关应用，将成为,2020,年驱动市场成长的主要动力。,关于微电子技未来的发展，方进认为，到,2020,年，集成电路,(IC),技术将发展到非常精细的程度，在许多方面会产生革命性的变化,60,61,1,）、多核趋势及灵活的协处理器革命,并行处理带来半导体性能的疾速提升，未来,IC,产业通用性将变得极其重要，系统需要更多灵活可编程的,DSP,核，并增加优化的可编程的协处理器，以迎接未来创新应用所带来的高效、严峻挑战。,61,62,2,）、低功耗节能时代到来,半导体器件功耗将达到每,18,个月缩减一半，这使得永续设施成为可能，某些情况下电池将被能源清除技术及能源存储单元所替代。,622）、低功耗节能时代到来,3,）、,SiP,技术普及,未来使用尖端的叠层裸片技术,(SiP),进行集成将与嵌入式片上系统,(SoC),一样普遍，,SiP,技术能够节省主板空间、减少组件数目，允许不同技术包集成，大大简化开发时间和成本。,3）、SiP 技术普及,63,4,）、绿色装置,致力于环境保护与全球绿色工程相关产品的研发与投入，如替代能源、高效动力产品、优化的照明方案和永续设施等。,4）、绿色装置,64,5,）、,机器人技术,机器人技术将大幅提升工业生产的自动化和人类生活的便捷化，,TI,在替代人类及肢体操作（如眼睛、腿臂、器官等）,和人机交互直接接口方面进行探索，,使科技的进步与创新更好地服务于,人类的生产与日常生活。,第一章半导体器件与工艺技术的发展课件,65,6,）、医疗电子革命,人类对生活质量提升的需求，推动医疗电子革命。各种自动化的医疗设备及视频装置，使人们不必亲赴医院就诊。基于,TI,技术研发的各种医疗成像设备、超声设备、自动延伸的心脏除颤器等手持医疗设备及远端视频装置，为人类的健康与新的医疗科技革命推波助澜。,6）、医疗电子革命,66,器件结构类型,集成度,电路的,功能,基础电路制造工艺,应用,领域,5,、集成电路,的分类,器件结构类型5、集成电路的分类,67,1),按,器件结构类型分类,双极集成电路：主要由双极型晶体管构成,NPN,型双极集成电路,PNP,型双极集成电路,金属,-,氧化物,-,半导体,(MOS),集成电路：主要由,MOS,晶体管,(,单极型晶体管,),构成,NMOS,PMOS,CMOS(,互补,MOS),双极,-MOS(BiMOS),集成电路：是同时包括双极和,MOS,晶体管的集成电路。综合了双极和,MOS,器件两者的优点，但制作工艺复杂。,1)按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极型晶体管构成,68,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目,类 别,数字集成电路,模拟集成电路,MOS IC,双极,IC,SSI,(,小型集成电路,),10,2,100,2000,300,ULSI,(,特大规模集成电路,),10,7,10,9,GSI,(,极大规模集成电路,),10,9,2),按,集成度分类,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路,69,3),按,电路的功能分类,数字集成电路,(Digital IC),：,是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。,模拟集成电路,(Analog IC),：,是指处理模拟信号,(,连续变化的信号,),的集成电路，,通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ：,线性集成电路,：如,运算放大器、电压比较器、跟随器等。,非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。,数,模混合集成电路,(Digital - Analog IC),：,例如 数模,(D/A),转换器和模数,(A/D),转换器等,。,3)按电路的功能分类数字集成电路(Digital IC)：模,70,标准通用集成电路,通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。,4),按,应用领域分类,专用集成电路,根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称,ASIC,（,Application Specific Integrated Circuit),，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。,标准通用集成电路4)按应用领域分类专用集成电路,71,A,.,特征尺寸,(Feature Size) /,（,Critical Dimension,）,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,),5),描述,集成电路工艺技术水平的,三个技术指标,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,0.0650.035,m,工艺,，,Intel,目前将大部分芯片生产制程转换到,0.028,m,。,A. 特征尺寸5)描述集成电路工艺技术水平的减小特征,72,B,.,晶片直径,(Wafer Diameter),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，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。,晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为,8,吋，正在向,12,吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从,2,吋,12,吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。,尺寸从,2,吋,12,吋成比例增加的晶圆,B. 晶片直径(Wafer Diameter),73,集成电路,（,Integrated Circuit,） 制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的,基础。,集成电路,工艺技术主要包括,:,(1),、,原始硅片,工艺,：,硅单晶拉制到最终形成作为,IC,衬底和有源区的硅片的一,整套,工艺技术。,(2),、,掺杂,工艺：,包括,各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术,。,6),基础,电路制造工艺,集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺,74,(3),、,微细图形加工工艺,包括,图形的复印和刻蚀转移两个方面。,(4),、,介质薄膜工艺,包括,各种热生长技术和各种,CVD,技术。,(5),、,金属薄膜工艺,包括,真空蒸发技术、溅射技术和,CVD,技术。,(3)、微细图形加工工艺,75,超净化,厂房,超净化厂房,76,芯片制造净化区域走廊,芯片制造净化区域走廊,77,投影式光刻机,投影式光刻机,78,300mm wafers,硅片清洗装置,300mm wafers硅片清洗装置,79,12,英寸氧化扩散炉装片工序,12英寸氧化扩散炉装片工序,80,12,英寸氧化扩散炉取片工序（已生长,Si,3,N,4,）,12英寸氧化扩散炉取片工序（已生长Si3N4）,81,化学汽相沉积,CVD,化学汽相沉积CVD,82,化学汽相沉积,CVD,化学汽相沉积CVD,83,检测工序,检测工序,84,18.5,M,去离子水生产,装置,空气净化动力装置,18.5 M去离子水生产装置空气净化动力装置,85,离子注入,离子注入,86,检查晶圆,检查晶圆,87,库房,库房,88,6,、微电子,技术的四个发展,方向,（,1,）,器件,尺寸不断,缩小。,目前,器件特征尺寸已进入纳米量级。器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战。,（,2,）,集成度,不断,提高。,目前,已经可以把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里，形成集成系统芯片,SOC,（,3,）,与,集成电路技术相关的新材料不断,涌现。,高,K,栅介质、低,K,互连介质、新型化合物半导体材料等都成为目前的研究热点。,（,4,）,微电子,与其他学科结合诞生新的交叉,学科。,也,是,21,世纪的重要发展方向，例如集成光电子学、微机械电子学（,MEMS,）、纳电子学等。,6、微电子技术的四个发展方向（1）器件尺寸不断缩小。目前器件,89,发展遇到的问题和挑战,微电子器件的特征尺寸继续,缩小。,器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和 技术挑战，为了解决这些问题和挑战，必须进行新材料、新器件、新结构、新工艺等研究。,发展遇到的问题和挑战微电子器件的特征尺寸继续缩小。,90,第一个关键问题：,超浅结形成,随着沟道的减小，会发生短沟道效应,，,为了得到低薄层浅结，必须采用大剂量、低能量离子注入技术。,100nm,技术所需的结深大约为,2030nm,掺杂浓度为,110,20,个,/cm.,微电子器件的特征尺寸继续缩小,第一个关键问题：超浅结形成微电子器件的特征尺寸继续缩小,91,第二个关键技术问题：微细加工,目前,0.13-0.065,m,已经开始大规模生产，,0.045,m,技术已经具备大规模生产条件，当然仍有许多开发与研究工作要做，例如,IP,模块的开发，为,EDA,服务的器件模型模拟开发，基于上述加工工艺的产品,开发,等。,在,0.045-0.026,m,阶段，最为关键的微电子工艺,光刻技术，也是一大难点。,微电子器件的特征尺寸继续缩小,第二个关键技术问题：微细加工目前0.13-0.065 ,92,Wavelength and Frequency of Electromagnetic Wave,RF: Radio frequency;,MW,: Microwave;,IR: infrared;,UV,: ultraviolet,Wavelength and Frequency of El,93,现今以及今后的光刻光源,极度紫外光刻,Extreme UV (EUV) lithography,X,射线光刻,X-Ray lithography,电子束光刻,Electron beam (E-beam) lithography,现今以及今后的光刻光源极度紫外光刻,94,第三个关键,技术,新型,器件结构，如真空化晶体管等。,新型材料体系,高,K,介质、 低,K,介质,金属栅电极、,SOI,材料,微电子器件的特征尺寸继续缩小,第三个关键技术微电子器件的特征尺寸继续缩小,95,二氧化硅 介电常数,3.9,氮化硅,7,TiO2 60100,随着栅长缩小至,130nm,以下，栅氧化层厚度减小至,2nm,以保持器件的性能,。,需要,采用较厚的具有较低漏电流的高,k,介质材料。,随着栅长缩小至130nm以下，栅氧化层厚度减小至2nm以保持,96,High k,介质材料,材料要求,:,高介电常数,热稳定性,界面质量,易于处理,可靠性,High k介质材料材料要求 :,97,High k,介质材料,SiO23.9,Si3N4/SiO2 stack5 - 6,Si3N4 7,Al2O310,ZrSiOy, HfSiOx, LaSiOx 10-20,ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O315-30,crystal Pr2O3 30,High k介质材料SiO23.9,98,High k,介质材料,淀积方法：,MOCVD,PVD (,溅射,蒸发,),ALE (,原子层淀积,),MBE,High k介质材料淀积方法：,99,SOI,技术优点：,完全实现,了介质隔离，彻底消除了体硅,CMOS,集成电路中的寄生闩锁效应,（,闩锁效应,是由,NMOS,的有源区、,P,衬底、,N,阱、,PMOS,的有源区构成的,n-p-n-p,结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成,正反馈,形成闩锁。避免闩锁的方法就是要减小衬底和,N,阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。 静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生,影响,）。,速度,高,集成密度高,工艺简单,减小了热载流子,效应,短沟道效应小，特适合小尺寸器件,体效应小、寄生电容小，特适合低压器件,SOI技术优点：,100,第四个关键技术：互联技术,铜互连技术在,0.25-0.18,微米时代使用，但在,0.13,微米以后，铜互连与低介电常数绝缘材料,共同使用时,的可靠性问题还有待深入研究开发。,微电子器件的特征尺寸继续缩小,第四个关键技术：互联技术铜互连技术在0.25-0.18微米,101,系统芯片与集成电路的设计思想和方法是不同的。这就要求微电子专业培养的人才不仅能从事,IC,设计，还能从事,SOC,设计，研究,SOC,的设计方法。（,SOC,：,system on a chip,）,SOC,的实现存在,两大困难,：,设计的复杂性,难以制造,如：存储器制造工艺与处理器相差很大,系统芯片与集成电路的设计思想和方法是不同的。这就要求微电子专,102,实现复杂系统功能的,VLSI,；,使用一个或数个嵌入式,CPU,或,DSP,（数字信号处理器）；,具备外部对芯片进行编程的功能；,采用微,纳米工艺技术；,。,SOC,集成芯片的特性：,实现复杂系统功能的VLSI；SOC集成芯片的特性：,103,交叉学科工作难度大,集成光电子学、微机械系统电子学（,MEMS,）、纳电子学等。,这些交叉学科涉及知识面很宽，知识结构复杂，而且需要多知识多技能的融合。,交叉学科工作难度大集成光电子学、微机械系统电子学（MEMS）,104,总 结,（,1,） 器件尺寸不断缩小，目前器件特征尺寸已进入纳米量级。器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战。,（,2,） 集成度不断提高，目前已经可以把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里，形成集成系统芯片,SOC,（,3,） 与集成电路技术相关的新材料不断涌现，高,K,栅介质、低,K,互连介质、新型化合物半导体材料等都成为目前的研究热点。,（,4,） 微电子与其他学科结合诞生新的交叉学科，也是,21,世纪的重要发展方向，例如集成光电子学、微机械电子学（,MEMS,）、纳电子学等。,总 结（1） 器件尺寸不断缩小，目前器件特征尺寸已,105,第一个关键问题：超浅结形成,第二个关键技术层次：微细加工,第三个关键技术：互联问题,第四个关键技术,新型器件结构,新型材料体系,高,K,介质,金属栅电极,低,K,介质,SOI,材料,第一个关键问题：超浅结形成,106,结束语,微电子是信息产业的核心和基础。,从历史上来说：没有微电子就没有今天的信息社会。,从目前的状况来说：没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术。,硅技术至少在今后,20,年仍然会保持高速发展，目前还看不到能够替代的新技术。,微电子技术的发展，最终会被光电子技术所取代,。,结束语微电子是信息产业的核心和基础。,107,谢谢,谢谢,108,