微电子及集成电路.ppt
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1、微电子及集成电路发展简介微电子及集成电路发展简介重庆大学重庆大学通信工程学院通信工程学院胡盛东胡盛东 集成电路是指通过一系列工艺,在单片半导体材料集成电路是指通过一系列工艺,在单片半导体材料上(硅或者砷化镓)加工出许多元器件上(硅或者砷化镓)加工出许多元器件(有源和无源的有源和无源的),这些元器件按照一定要求连接起来,作为一个不可分,这些元器件按照一定要求连接起来,作为一个不可分割的整体执行某一特定的功能;割的整体执行某一特定的功能;集成电路是电路的单芯片实现;集成电路是电路的单芯片实现;微电子工业是国民经济信息化的基石微电子工业是国民经济信息化的基石 集成电路是微电子技术的核心;集成电路是微
2、电子技术的核心;如果以单位质量的如果以单位质量的“钢钢”对国民生产总值的贡献为对国民生产总值的贡献为1 1来计算,则小轿车为来计算,则小轿车为5 5,彩电为,彩电为3030,计算机为,计算机为10001000,而,而集成电路则高达集成电路则高达20002000。集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:1)1947194719481948年,年,晶晶体管的发明体管的发明 1946年年1月,月,Bell实验室正式成立半导体研究小组:实验室正式成立半导体研究小组:W.
3、SchokleyW.Schokley,J.BardeenJ.Bardeen、W.H.Brattain W.H.Brattain Bardeen提提出了表面态理论,出了表面态理论,Schokley给出了实现放大器的基本给出了实现放大器的基本设想,设想,Brattain设计了实验;设计了实验;1947年年12月月23日,第一次观测到了具有放大作用的日,第一次观测到了具有放大作用的晶体管;晶体管;晶体管的发明晶体管的发明1947年年12月月23日日第一个点接触式第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者:发明者:W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年No
4、bel物理奖物理奖晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:1)1947194719481948年,年,晶晶体管的发明体管的发明2)19581958年,年,集成电路集成电路的发明的发明 1952年年5月月,英英国国科科学学家家G.W.A.Dummer第第一一次次提出了集成电路的设想。提出了集成电路的设想。1
5、958年年以以德德克克萨萨斯斯仪仪器器公公司司(TI)的的科科学学家家基基尔尔比比(Clair Kilby)为为首首的的研研究究小小组组研研制制出出了了世世界界上上第第一一块块集集成电路,并于成电路,并于1959年公布了该结果。年公布了该结果。集成电路的发明集成电路的发明 1958年世界上第一块集成电路:年世界上第一块集成电路:锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻,锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻,总共总共1212个器件,用个器件,用超声焊接引线将器件连起来。超声焊接引线将器件连起来。获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发展历程集成电路的发
6、展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:1 1)1947194719481948年,年,晶晶体管的发明体管的发明2 2)19581958年,年,集成电路的发明集成电路的发明3 3)19591959年,平面工艺的发明年,平面工艺的发明 19591959年年7 7月月,美美国国Fairchild Fairchild 公公司司的的NoyceNoyce发发明明第第一一块块单单片片集集成成电电路路,利利用用二二氧氧化化硅硅膜膜制制成成平平面面晶晶体体管管,并并用用淀淀积积在在二二氧氧化化硅硅膜膜上上的
7、的、和和二二氧氧化化硅硅膜膜密密接接在在一一起起的的导导电电膜膜作作为为元元器器件件间间的的电电连连接接(布布线线)。这这是是单单片片集集成成电电路路的的雏雏形形,是是与与现现在在的的硅硅集集成成电电路路直直接接有有关关的的发发明明。由由此此,将将平平面面技技术术、照照相相腐腐蚀蚀和和布布线线技技术术组组合合起来,获得大量生产集成电路的可能性。起来,获得大量生产集成电路的可能性。集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程:1 1)1947194719481948年,
8、年,晶晶体管的发明体管的发明2 2)19581958年,年,集成电路的发明集成电路的发明3 3)19591959年,平面工艺的发明年,平面工艺的发明4 4)19601960年,成功制造了第一块年,成功制造了第一块MOSMOS集成电路。集成电路。自从集成电路诞生以来,经历了小规模(自从集成电路诞生以来,经历了小规模(SSI)、中规模()、中规模(MSI)、)、大规模(大规模(LSI)的发展过程,目前已进入超大规模()的发展过程,目前已进入超大规模(VLSI)和甚大规)和甚大规模集成电路(模集成电路(ULSI)阶段,是一个)阶段,是一个“system on a chip”(SOC)的时的时代代19
9、70年:大规模集成电路(年:大规模集成电路(LSI,103 105 元件或元件或 102 5103等等效门效门)1959年:中小规模集成电路(年:中小规模集成电路(IC)1977年:超大规模集成电路(年:超大规模集成电路(VLSI,以,以 64K DRAM、16位位 CPU 为代表为代表)1986年:巨大规模集成电路(年:巨大规模集成电路(ULSI,以,以 4M DRAM 为代表为代表,8106 元件,元件,91 mm2,0.8 m,150 mm )1995年:年:GSI(以(以1G DRAM 为代表,为代表,2.2109 元件,元件,700 mm2,0.18 m,200 mm,2000 年开
10、始商业化生产)年开始商业化生产)集成电路发展的特点集成电路发展的特点集成电路的发展特点主要表现在:集成电路的发展特点主要表现在:特征尺寸越来越小;芯片尺寸越来越大;单片上的晶体管数越来越多;时钟速度越来越快;电源电压越来越低;布线层数越来越多;输入/输出(I/O)引脚越来越多。年份年份19971997199919992001200120032003200620062009200920122012最小线宽最小线宽(mm)0.250.250.180.150.130.100.070.01DRAMDRAM容量容量256M1G1G4G4G16G64G256G晶体管数量(M)112140762005201
11、400芯片尺寸(mm2)300340385430520620750时钟频率(MHz)750120014001600200025003000金属层数6677778899最低供电电压(V)1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大硅片直径(mm)200300300300300450450 集成电路发展规划(集成电路发展规划(集成电路发展规划(集成电路发展规划(19971997)工艺特征尺寸单个芯片上的晶体管数芯片面积电源电压 时钟频率金属布线层数0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 910101997199719991
12、99920012001200320032006200620092009金属层数金属层数金属层数金属层数图1-1 各阶段集成电路产品的照片摩尔定律摩尔定律 1960年,美国Intel公司G.Moore预言集成电路的发展遵循指数规律,人们称之为“摩尔定律”,其主要内容如下:(1)集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度下降,集成度每一年翻一番。(2)价格每两年下降一半。(3)这种规律在30年内是正确的(从1965年开始)。历史的发展证实了摩尔定律的正确性。表1-1给出集成电路特征参数的进展情况。表 1-1 集成电路特征参数的进展情况 1982年出现的80286芯片中,共有13.4万只晶体管,线
13、宽为1.5 m。而到1995年,Pentium Pro(TM)芯片就含有550万只晶体管,线宽为亚微米级0.6 m。目前商业化的芯片的线宽为0.180.35 m。80286:INTEL 1982年推出的划 时代的产品。Pentium Pro(TM):一度曾是高端CPU的代名词。图1-2 CPU 80286及Pentium Pro(TM)芯片的显微照片 (a)80286;(b)Pentium Pro(TM)摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律平均每个晶体管价格摩尔定律平均每个晶体管价格经过40年,集成电路产业的发展证实了摩尔定律的正确性,但是摩尔定律还能有多长时间的生命力?集
14、成电路的特征尺寸:130nm90nm60nm45nm30nm?量子效应集成电路光刻费用急剧增加摩尔定律摩尔定律2008年国际上又提出年国际上又提出“More than Moore”及及“More than Moore”概念,即强调芯片发展要追求功耗下降及综合功能的提高,实概念,即强调芯片发展要追求功耗下降及综合功能的提高,实际上转向更加务实的满足市场的需求。际上转向更加务实的满足市场的需求。集成电路朝着两个方向发展:集成电路朝着两个方向发展:一、是在发展微细加工技术的基础上,开发超高速、超高集成度的电路。一、是在发展微细加工技术的基础上,开发超高速、超高集成度的电路。二、是迅速、全面地利用已达
15、到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技二、是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路,出现术、和测试技术等发展各种专用集成电路,出现SOC。模拟数字混合集成电路向电路工程师提出挑战模拟数字混合集成电路向电路工程师提出挑战设计与制造分立,设计能力落后于制造能力设计与制造分立,设计能力落后于制造能力工艺线建设费用愈来愈高,(工艺线建设费用愈来愈高,(8英寸、英寸、0.35工工艺线艺线投投资约资约20亿亿美元)美元)系统芯片(系统芯片(SoC(System-on-chip)成为发展方向成为发展方向可编程器件(可编程器件(PLD)应用更为广泛。
16、)应用更为广泛。基于微电子工艺发展起来的微电机械(基于微电子工艺发展起来的微电机械(MEMS)有着极其广大的应用前景)有着极其广大的应用前景MEMS技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术图1-4 大圆片上的芯片 集成电路的分类集成电路的分类 按功能分类 按功能不同,可将集成电路分为以下几类:数字集成电路;模拟集成电路;数、模混合集成电路。随着芯片规模越来越大,电路越来越复杂,片上系统(SOC)时代即将到来,数、模混合集成电路的应用与发展备受关注。按结构形式和材料分类按结构形式和材料分类 按结构形式和材料不同,可将集成电路分为:半导体集成电路,主
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