微电子技术的发展现状与趋势-张志勇
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微电子技术发展现状与趋势
西北大学信息科学与技术学院 张志勇
1
微电子技术的战略地位与作用 微电子技术的发展历史与现状 微电子技术的发展规律与趋势
2
什么是微电子学或微电子技术？
电
子
微电子学
学
微电子学（Microelectronics ）
—— 微型电子学
3
微电子技术的核心—— 集成电路
（Integrated Circuit，缩写IC）
市场
超薄显示器* IC 卡* 地面微波广播* DNA 生物芯片 多用途通讯设备* 半导体设备* 电力交通工具 墙壁式超薄电视* 移动电话* 直接引入工具 ITS 设备 DNA 加工食品 液晶显示器* 仿制品 燃油汽车
销售额 （10 亿美元）
170 165 160 160 155 150 150 145 140 140 140 135 120 115 110
17
微电子技术的发展水平和微电子 产业的规模已经成为衡量一个国 家综合实力强弱的重要标志！
18
微电子技术的发展历史与现状
19
理论推动
▪ 19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
– 光电导效应 – 光生伏特效应 – 整流效应
▪ 量子力学 ▪ 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
26
发展历史
第一个CPU--Intel 4004
1971年由Intel制造 2000多个晶体管 10μm的PMOS工艺
27
发展历史
Intel 8088
• 1979 年3月
• 16 Bit
•5到
28
Intel 386
• 1985 年10月
• 32 Bit
• 16 到 32 MHz
29
Intel 486
集成电路芯片的 集成度每三年提 高 4 倍，而芯片 加工特征尺寸每 三年缩小 2倍。
这就是由Intel公司创始人之一Gordon Moore博士 1975年在IEEE的学术年会上提出的，被称为摩尔定律。
39
发展规律
CPU的晶体管数目遵守摩尔定律的规律
K 1,000,000
100,000
10,000 1,000 100
20
发展历史
晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半导体 研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、 W. H. Brattain
Bardeen提出了表面态理论， Schokley 给出了实现放大器的基本设想，Brattain 设计了实验
1947年12月23日，第一次观测到了具有 放大作用的晶体管
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。
4
5
微电子技术的战略地位与作用
6
微电子技术——信息社会发展的基石
自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信 息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式， 是人类社会、经济活动的重要资源。
发展规律
Small Signal RF
Power RF
Power Management
Analog Baseband
Digital Baseband
(DSP + MCU)
42
微电子技术是近50年来发展最快的技术
年份 特征参数
设计规则m
电源电压VDD(伏） 硅片直径尺寸 （mm） 集成度
DRAM密度（bit)
• 1989 年4月
• 32 Bit
• 25 到 50 MHz
• 120 万
个晶体
管
30
Pentium
• 1993年 3月
• 32 Bit
• 60 到
166 MHz
31
P6 (Pentium Pro----高能奔腾)
1995年11月面市 150 to 200 MHz 时钟 550万个晶体管 0.35 微米工艺 4 层金属互联 387 管脚
电子装备 6-8万亿元
集成电路产值 1万亿美元
2012年12来自统计数据表明：发达国家在发展过程中 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：
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
Moore定律
性能价格比
发展规律
在过去的20年中，改进 了100万倍
在今后的20年中，还将 改进100万倍
很可能还将持续40年
44
21世纪硅微电子技术的四个主要发展方向
▪ 继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸 ▪ 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) ▪ 新型宽禁带半导体材料开发 ▪ 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业
13
3、微电子技术——对传统产业的带动作 用
几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成 电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新 焕发青春
▪ 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量 的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进 行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲 坝电站的年发电量(170亿度/年)
36
发展现状
集成电路走向系统芯片
卫星
解调/纠错
/电缆
IBM CPU
第二代
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
第三代 将来
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口
STBP
SCI IEEE1284
GPIO ,etc
发展现状
System On Chip
37
微电子技术发展规律与趋势
38
微电子发展的规律
1962年F.Wanlass、C.T.Sah——CMOS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
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
10
微电子技术产值——进入信息社会的判据
集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济 的“食物链”关系：
集成电路 1 ~ 2元
电子产品 10元
国民经济产值 100元
进入信息化社会的判据： 微电子技术产值占工农业总产值的0.5%
11
据美国半导体协会（SIA）预测
GDP≈50万亿美元
电子信息服务业30万亿美元 相当于1997年全世界 GDP总和
32
Intel Pentium 840EE 双核处理器
制造工艺：90nm 晶体管数：2.3亿个 芯片面积：206mm2 互联技术：7层铜互连 最高功耗：130W
33
2007年1月英特尔推出45nm正 式量产工艺，45nm技术是全新 的技术，可以让摩尔定律至少 再服役10年。
四核CPU
制造工艺：45nm 晶体管数：8.2亿个 管 脚 数：775个 核心技术：铪金属 高-K与金属栅组合 新工艺
1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔 比(J.Kilby)为首的研究小组研制出了世界 上第一块集成电路，并于1959年公布了该 结果
24
发展历史
获得2000年Nobel物理奖
1958年第一块集成电路：TI公司的J. Kilby 基片为Ge晶片，集成了12个器件。
25
发展历史
微电子发展史上的几个里程碑
大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；
功率：150KW；平均无故障运行时间：7min
9
这样的计算机能够进入办公室、车间、家 庭和我们的手提包里？当时有的科学家认 为全世界只要4台ENIAC就足够了。
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。
Single die
12〞(300mm)
Wafer
49
缩小器件的特征尺寸
所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度,常 常作为技术水平的标志。对MOS器件而言，通 常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一 条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计采用 的最小设计尺寸单位（设计规则）
和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
45
发展趋势
方向一：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸
300mm
450mm
46
450mm晶圆的出 现，除了生产效率 大幅度提高的优势 外，同时，对集成 电路工艺带来极大 的挑战，使集成电 路工艺发生全面的 转型与提升。
47
集成电路制造工艺流程
48
大生产的硅片直径已从200mm转入300mm， 2015年左右将转入400mm--450mm直径的硅片。
社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体， 由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带 地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字 化。
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/或通讯设备，以及国防安全系统，它 们的基础都是微电子技术。
7
1991年的海湾战争
双方出动军队100多万人，经历42天，伊拉克伤 亡10多万人（其中死亡2万多人），被俘17.5万 人，击毁了3700多辆坦克、2600多门火炮、 2400多辆装甲车和243架飞机（其余的147架飞 机紧急转移到伊朗才免遭厄运）。
多国部队出兵80多万人，死亡149人（其中美军 79人），伤513人，出动10万余架次飞机，仅 损失45架（包括非战斗损失9架）。
硅片打败了钢铁！
8
世界第一台通用电子计算机--ENIAC
1946年2月14 日在美国宾夕 法尼亚大学的 莫尔电机学院 诞生(莫科里 ) ，由18,800多个 电子管组成， 重量30多吨， 占地面积170多 平方米 。
微电子相关的22个市场：5万亿美元
市场
手提数据通讯* 个人电脑* 移动电话服务* CPU* 数据存储产品* 磁存储* 电子商务* 网络信息服务* 高密度磁存储* 系统集成芯片* 家庭医疗设备* 互联网* 有线电视* 智能传输系统 代理软件*
销售额 （10 亿美元）
630 470 380 300 270 250 250 230 230 210 210 200 200 190 180
▪ 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所 节省的电能相当于三座大亚弯核电站的年发电量(139 亿度/年)
14
电子装备更新换代都基于微电子技术的进步， 其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯 片的“智慧”程度和使用程度
普通机床
数字化技术改造 价格相差10倍
数控机床
整机系统 高附加值
34
我们已进入纳米时代
90nm-32nm工艺已进入规模生产 晶体管本身的宽度只有30-50nm 集成度已达109--1010
0.5m
1 m
头发丝粗细的百分之一
100nm
30~50m (皮肤细胞的大小)
35
发展现状
多层铜互连技术
已实现9层互连， Intel Pentium 840EE 双核 处理器采用的是7层互连 技术。
集成 电路
在成长期进入 市场，增强市
场竞争力
15
对国民经济的贡献率
2000 1500 1000
500 0 钢铁
汽车
彩电 计算机 集成电路
对国民经济的贡献率
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
16
4、微电子产业的战略重要性
2020年世界最大的30个市场领域：其中与
2005 2010
Projected
40
发展规律
发展规律
存储器的性 能和工艺复 杂程度也符 合摩尔定律
41
由集成电路构成的其 它电子系统也同样符 合摩尔定律的规律
Digital Cellular Market (Phones Shipped)
1996 1997 1998 1999 2000
Units 48M 86M 162M 260M 435M
1 Billion Transistors
Pentium® 840EE
Pentium® Ⅳ Pentium® III Pentium® II Pentium® Pro Pentium® i486 i386 80286
10
1 1975
8086
1980
1985 1990
1995
2000
Source: Intel
微处理器时钟频 率(Hz)
平均晶体管价格$
1959 25 5 5 6
10
1970-1971 8 5 30
2103 1K
750K
0.3
2000 0.18 1.5 300 2109 1G
1G 10-6
比率 140
3 60 3108 106
>103 10-7
按此比率下降，小汽车价格不到1美分！
43
发展规律
21
发展历史
获得1956年Nobel物理奖
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
22
发展历史
晶体管的三位发明人：肖克莱、巴丁、布拉顿
23
发展历史
集成电路的发明
1952年5月，英国科学家达默（ G.Dummer）第一次提出了集成电路的设 想
西北大学信息科学与技术学院 张志勇
1
微电子技术的战略地位与作用 微电子技术的发展历史与现状 微电子技术的发展规律与趋势
2
什么是微电子学或微电子技术？
电
子
微电子学
学
微电子学（Microelectronics ）
—— 微型电子学
3
微电子技术的核心—— 集成电路
（Integrated Circuit，缩写IC）
市场
超薄显示器* IC 卡* 地面微波广播* DNA 生物芯片 多用途通讯设备* 半导体设备* 电力交通工具 墙壁式超薄电视* 移动电话* 直接引入工具 ITS 设备 DNA 加工食品 液晶显示器* 仿制品 燃油汽车
销售额 （10 亿美元）
170 165 160 160 155 150 150 145 140 140 140 135 120 115 110
17
微电子技术的发展水平和微电子 产业的规模已经成为衡量一个国 家综合实力强弱的重要标志！
18
微电子技术的发展历史与现状
19
理论推动
▪ 19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
– 光电导效应 – 光生伏特效应 – 整流效应
▪ 量子力学 ▪ 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
26
发展历史
第一个CPU--Intel 4004
1971年由Intel制造 2000多个晶体管 10μm的PMOS工艺
27
发展历史
Intel 8088
• 1979 年3月
• 16 Bit
•5到
28
Intel 386
• 1985 年10月
• 32 Bit
• 16 到 32 MHz
29
Intel 486
集成电路芯片的 集成度每三年提 高 4 倍，而芯片 加工特征尺寸每 三年缩小 2倍。
这就是由Intel公司创始人之一Gordon Moore博士 1975年在IEEE的学术年会上提出的，被称为摩尔定律。
39
发展规律
CPU的晶体管数目遵守摩尔定律的规律
K 1,000,000
100,000
10,000 1,000 100
20
发展历史
晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半导体 研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、 W. H. Brattain
Bardeen提出了表面态理论， Schokley 给出了实现放大器的基本设想，Brattain 设计了实验
1947年12月23日，第一次观测到了具有 放大作用的晶体管
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。
4
5
微电子技术的战略地位与作用
6
微电子技术——信息社会发展的基石
自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信 息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式， 是人类社会、经济活动的重要资源。
发展规律
Small Signal RF
Power RF
Power Management
Analog Baseband
Digital Baseband
(DSP + MCU)
42
微电子技术是近50年来发展最快的技术
年份 特征参数
设计规则m
电源电压VDD(伏） 硅片直径尺寸 （mm） 集成度
DRAM密度（bit)
• 1989 年4月
• 32 Bit
• 25 到 50 MHz
• 120 万
个晶体
管
30
Pentium
• 1993年 3月
• 32 Bit
• 60 到
166 MHz
31
P6 (Pentium Pro----高能奔腾)
1995年11月面市 150 to 200 MHz 时钟 550万个晶体管 0.35 微米工艺 4 层金属互联 387 管脚
电子装备 6-8万亿元
集成电路产值 1万亿美元
2012年12来自统计数据表明：发达国家在发展过程中 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：
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
Moore定律
性能价格比
发展规律
在过去的20年中，改进 了100万倍
在今后的20年中，还将 改进100万倍
很可能还将持续40年
44
21世纪硅微电子技术的四个主要发展方向
▪ 继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸 ▪ 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) ▪ 新型宽禁带半导体材料开发 ▪ 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业
13
3、微电子技术——对传统产业的带动作 用
几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成 电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新 焕发青春
▪ 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量 的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进 行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲 坝电站的年发电量(170亿度/年)
36
发展现状
集成电路走向系统芯片
卫星
解调/纠错
/电缆
IBM CPU
第二代
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
第三代 将来
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口
STBP
SCI IEEE1284
GPIO ,etc
发展现状
System On Chip
37
微电子技术发展规律与趋势
38
微电子发展的规律
1962年F.Wanlass、C.T.Sah——CMOS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
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
10
微电子技术产值——进入信息社会的判据
集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济 的“食物链”关系：
集成电路 1 ~ 2元
电子产品 10元
国民经济产值 100元
进入信息化社会的判据： 微电子技术产值占工农业总产值的0.5%
11
据美国半导体协会（SIA）预测
GDP≈50万亿美元
电子信息服务业30万亿美元 相当于1997年全世界 GDP总和
32
Intel Pentium 840EE 双核处理器
制造工艺：90nm 晶体管数：2.3亿个 芯片面积：206mm2 互联技术：7层铜互连 最高功耗：130W
33
2007年1月英特尔推出45nm正 式量产工艺，45nm技术是全新 的技术，可以让摩尔定律至少 再服役10年。
四核CPU
制造工艺：45nm 晶体管数：8.2亿个 管 脚 数：775个 核心技术：铪金属 高-K与金属栅组合 新工艺
1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔 比(J.Kilby)为首的研究小组研制出了世界 上第一块集成电路，并于1959年公布了该 结果
24
发展历史
获得2000年Nobel物理奖
1958年第一块集成电路：TI公司的J. Kilby 基片为Ge晶片，集成了12个器件。
25
发展历史
微电子发展史上的几个里程碑
大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；
功率：150KW；平均无故障运行时间：7min
9
这样的计算机能够进入办公室、车间、家 庭和我们的手提包里？当时有的科学家认 为全世界只要4台ENIAC就足够了。
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。
Single die
12〞(300mm)
Wafer
49
缩小器件的特征尺寸
所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度,常 常作为技术水平的标志。对MOS器件而言，通 常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一 条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计采用 的最小设计尺寸单位（设计规则）
和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
45
发展趋势
方向一：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸
300mm
450mm
46
450mm晶圆的出 现，除了生产效率 大幅度提高的优势 外，同时，对集成 电路工艺带来极大 的挑战，使集成电 路工艺发生全面的 转型与提升。
47
集成电路制造工艺流程
48
大生产的硅片直径已从200mm转入300mm， 2015年左右将转入400mm--450mm直径的硅片。
社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体， 由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带 地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字 化。
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/或通讯设备，以及国防安全系统，它 们的基础都是微电子技术。
7
1991年的海湾战争
双方出动军队100多万人，经历42天，伊拉克伤 亡10多万人（其中死亡2万多人），被俘17.5万 人，击毁了3700多辆坦克、2600多门火炮、 2400多辆装甲车和243架飞机（其余的147架飞 机紧急转移到伊朗才免遭厄运）。
多国部队出兵80多万人，死亡149人（其中美军 79人），伤513人，出动10万余架次飞机，仅 损失45架（包括非战斗损失9架）。
硅片打败了钢铁！
8
世界第一台通用电子计算机--ENIAC
1946年2月14 日在美国宾夕 法尼亚大学的 莫尔电机学院 诞生(莫科里 ) ，由18,800多个 电子管组成， 重量30多吨， 占地面积170多 平方米 。
微电子相关的22个市场：5万亿美元
市场
手提数据通讯* 个人电脑* 移动电话服务* CPU* 数据存储产品* 磁存储* 电子商务* 网络信息服务* 高密度磁存储* 系统集成芯片* 家庭医疗设备* 互联网* 有线电视* 智能传输系统 代理软件*
销售额 （10 亿美元）
630 470 380 300 270 250 250 230 230 210 210 200 200 190 180
▪ 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所 节省的电能相当于三座大亚弯核电站的年发电量(139 亿度/年)
14
电子装备更新换代都基于微电子技术的进步， 其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯 片的“智慧”程度和使用程度
普通机床
数字化技术改造 价格相差10倍
数控机床
整机系统 高附加值
34
我们已进入纳米时代
90nm-32nm工艺已进入规模生产 晶体管本身的宽度只有30-50nm 集成度已达109--1010
0.5m
1 m
头发丝粗细的百分之一
100nm
30~50m (皮肤细胞的大小)
35
发展现状
多层铜互连技术
已实现9层互连， Intel Pentium 840EE 双核 处理器采用的是7层互连 技术。
集成 电路
在成长期进入 市场，增强市
场竞争力
15
对国民经济的贡献率
2000 1500 1000
500 0 钢铁
汽车
彩电 计算机 集成电路
对国民经济的贡献率
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
16
4、微电子产业的战略重要性
2020年世界最大的30个市场领域：其中与
2005 2010
Projected
40
发展规律
发展规律
存储器的性 能和工艺复 杂程度也符 合摩尔定律
41
由集成电路构成的其 它电子系统也同样符 合摩尔定律的规律
Digital Cellular Market (Phones Shipped)
1996 1997 1998 1999 2000
Units 48M 86M 162M 260M 435M
1 Billion Transistors
Pentium® 840EE
Pentium® Ⅳ Pentium® III Pentium® II Pentium® Pro Pentium® i486 i386 80286
10
1 1975
8086
1980
1985 1990
1995
2000
Source: Intel
微处理器时钟频 率(Hz)
平均晶体管价格$
1959 25 5 5 6
10
1970-1971 8 5 30
2103 1K
750K
0.3
2000 0.18 1.5 300 2109 1G
1G 10-6
比率 140
3 60 3108 106
>103 10-7
按此比率下降，小汽车价格不到1美分！
43
发展规律
21
发展历史
获得1956年Nobel物理奖
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
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发展历史
晶体管的三位发明人：肖克莱、巴丁、布拉顿
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发展历史
集成电路的发明
1952年5月，英国科学家达默（ G.Dummer）第一次提出了集成电路的设 想