2016-1(第一章 绪论)
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§1.1 半导体产业介绍
1. 产业的地位及重要性 2. 产业规模及市场需求 3. 产业竞争 4. 集成电路产业的特点 5. 集成电路产业模式及分工 6. 我国集成电路产业发展情况 7. 产业技术发展 8. 集成电路制造 9. 集成电路的发展趋势
§1.1 半导体产业介绍
1. 产业的地位及重要性 半导体产业： 与半导体器件的设计和制造相关的产业。
锗基集成电路
§1.1 半导体产业介绍
△ 1959年美国仙童公司的诺伊思（R. Noicy）开发出用于
IC的硅平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。
1959年仙童公司制造的IC
§1.1 半导体产业介绍
7.3 集成电路时代（20世纪60年代后） 集成电路发展的五个时代：
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
国内主要集成电路芯片制造企业：
台积电（上海、深圳） 中芯国际（上海、北京、武汉） 上海华虹NEC 上海先进 上海宏力 上海贝岭 无锡华润上华 无锡海力士意法 苏州和舰 常州柏玛 摩托罗拉（天津）
来自百度文库
§1.1 半导体产业介绍
6.3 国内集成电路封装测试业
在国内封装测试业的发展道路上，主要由三支力量构成： 1). 芯片制造企业内部的封装测试线（如华润微电子、华越、 首钢NEC等）； 2). 国内独立封装测试企业（如江苏长电、南通富士通、天 水华天科技等）； 3). 国外独资或合资企业（如Intel、Infineon、Samsung、 Fairchild等）（近10年来一支主要力量）。 【具有一定规模的集成电路封装测试企业已超过70家， 其 中年封装量超过10亿块的企业超过20家。】
§1.1 半导体产业介绍
△ 1947在贝尔实验室发明的固体锗晶体管
晶体管的发明者（肖克莱、巴丁、布拉顿）因此发明 获得诺贝尔奖(1956)
§1.1 半导体产业介绍
△ 固体晶体管的发明者
§1.1 半导体产业介绍
△ 1957年诞生第一个硅平面晶体管
§1.1 半导体产业介绍
△ 1958年德州仪器公司的基尔比（Jack Kilby）发明的
§1.1 半导体产业介绍
8. 集成电路制造
集成电路制造步骤：
① Wafer preparation(硅片准备)
② Wafer fabrication (硅片制造)
③ Wafer test/sort (硅片测试和拣选) ④ Assembly and packaging (装配和封装) ⑤ Final test(终测)
§1.1 半导体产业介绍
以半导体产业为核心的电子信息产业是全球第一大产 业，占全球GDP的10%。 半导体产业：3000亿美元 电子整机业务：12000亿美元 电子信息服务业：50000亿美元
战略产业，半导体产业的发展规模及技术水平是衡量 一个国家综合国力的重要标志。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
7. 产业技术发展
7.1 真空管时代（20世纪40年代前）
体积大 重量重 功耗高 可靠性差
§1.1 半导体产业介绍
长30.48米，宽6米， 高2.4米，占地面 积约170平方米， 重30英吨，耗电 量150千瓦，造价 48万美元。 包含真空管17,468 根。
ENIAC 世界上第一台通用计算机，也是继ABC（阿塔纳
② 降低芯片成本－提高集成度、增加硅片直径
③ 提高芯片可靠性－优化设计、严格控制污染 重要概念： 关键尺寸 摩尔定律 硅片尺寸
§1.1 半导体产业介绍
关键尺寸 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸；最小的特征尺 寸称为关键尺寸（ Critical Dimension, CD）；CD是衡量 工艺难度的标志，代表集成电路的工艺水平，例如0.18 微米CMOS技术就是指关键尺寸为0.18微米。
2. 产业规模及市场需求
1985~1999年15年间，全球半导体产业销售额年均增长 率：16.2%，产业规模迅速扩大；
1999~2006年7年间，全球半导体产业销售额年均增长率： 7.5%，产业规模平稳增长； 2006年产业规模达到2477亿美元，从而使电子信息产业 成为世界第一大产业； 2006年全球集成电路生产线：600条，产能主要分布在8 英寸和12英寸生产线；
索夫-贝瑞计算机）之后的第二台电子计算机。
§1.1 半导体产业介绍
7.2 固体晶体管时代（20世纪50年代后） 1947年发明固体锗晶体管（肖克莱、巴丁、布拉顿） 1957年第一个硅平面晶体管诞生（仙童半导体公司 ) 1959年发明硅基集成电路（诺伊思、基尔比）
△ △ △ △ △
无真空 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高
§1.1 半导体产业介绍
器件的CD技术节点发展趋势： CD（μm) 1994 0.6 2004 90 1995 0.35 2006 65 1997 0.25 2008 45 1999 0.18 2010 32 2002 0.13 2012 22
CD（nm)
△ 2012年，英特尔成功量产了22nm工艺技术， 台积电量
产28nm 。 △下一代：英特尔 14nm、台积电 20nm。
§1.1 半导体产业介绍
对微观尺寸的认识
§1.1 半导体产业介绍
摩尔定律
IC 的集成度将每一年半翻一番（即每18个月增长1倍） [由Intel 公司创始人戈登.摩尔提出]。
计算机界对于摩尔定律的两点推论： a) 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降 一半。 b) 用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两 番。 IC 发展的另一些规律： △ 建立一个芯片厂的造价每一年半翻一番。 △ 线条宽度每4 ~ 6 年下降一半。
§1.1 半导体产业介绍
总晶体管数/芯片（单位：百万）
§1.1 半导体产业介绍
硅片尺寸
§1.1 半导体产业介绍
硅片尺寸不断增大，芯片成本逐渐降低
降低成本
§1.1 半导体产业介绍
ITRS 2010
INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
集成电路的概念
集成电路是把电阻、电容、二极管、晶体管等多个元器 件制造在一个芯片上并具有一定功能的电路。 集成度
每个芯片上的元器件数。
§1.1 半导体产业介绍
集成电路硅片、芯片
含芯片的硅片
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
一种模拟集成电路芯片
§1.1 半导体产业介绍
一种ULSI芯片及其产品
§1.1 半导体产业介绍
2007年底，全球8英寸线近190条；12英寸集成电路生产 线超过70条，其中，台湾地区19条，美国18条，日本16 条，韩国9条，欧洲4条，我国大陆3条，新加坡1条； 截止2012年，我国集成电路生产线合计65条，其中8英 寸15条，12英寸6条；2012年最小工艺节点45nm；2015 年16nm (麒麟950)，基本与世界先进水平同步； 2012年全球半导体产业销售额达到3000亿美元； 2014年半导体产业全球销售额3398亿美元； 集成电路占个人电脑总成本的30％～40％； 据东方证券研报显示，集成电路在一部手机中其成本比 例占据40%以上；
§1.1 半导体产业介绍
集成电路一次流片的费用：
6英寸 8英寸 0.5 μm 20 万元 0.18 μm 190 万元 12英寸 90 nm 250 万元 45 nm 450 万元
IC费用
1.0 μm
0.5 μm
制版费 （每套）
12 万元
流片费 （每晶圆）
0.5 万元
0.7 万元
1.0 万元
—
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
2014年全球前二十大半导体厂商营收排名
§1.1 半导体产业介绍
2015年全球前二十大半导体厂商营收排名
§1.1 半导体产业介绍
4. 集成电路产业的特点
集成电路产业是更新换代最快的产业，产品的集成度 每18个月翻一番（摩尔定律）。
产品的性价比越来越高。
集成电路产业投资巨大，风险极高，被誉为“吞金” 产业。 投资建设集成电路生产线的费用： 8英寸线10亿美元； 12英寸线15亿美元； 8英寸集成电路生产线运转费用：100万元/天； 极高的集成电路设计风险：
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
关键 尺寸 nm 晶圆 直径 mm
29 300
27 300
24 300
22 300
20 300
18 450
17 450
15 450
§1.1 半导体产业介绍
ITRS 2010
INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
§1.1 半导体产业介绍
IC封装测试公司：在探针台自动测试系统上，对集成电 路硅片进行功能和性能测试、拣选，然后对测好的硅片 进行划片，封装。 硅片材料厂（支撑业代表）：通过拉制单晶、切片、研 磨、抛光等工序制成符合IC制造要求的硅片。
§1.1 半导体产业介绍
6. 我国集成电路产业发展情况
我国大陆的半导体产业发展十分迅速，中国是全球最大 的半导体市场，2014年中国半导体市场规模达到1400亿 美元，约占全球半导体市场营业额的41%。
集成电路芯片制造是一个复杂的系统工程
半导体产业
§1.1 半导体产业介绍
5.集成电路产业模式及分工
5.1 集成电路产业模式 1. 集成电路产业是主要以IC设计业（ Fabless 如海思、 英伟达）、IC芯片制造业（ Foundry 如台积电）、 IC封装测试业等三业为主的产业链 结构，另外还有 IC支撑业（硅片材料厂、半导体设备厂、测试仪器 厂等）。 2. IDM（Integrated Device Manufacturer/Integrated Design and Manufacture:整合元件制造/垂直整合制造） 模式：指从设计、制造、封装测试到销售自有品牌 IC都一手包办的半导体公司，如：Intel, TI, Motorola, Samsung。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
9. 集成电路的发展趋势
① 提高芯片性能 ② 降低芯片成本 ③ 提高芯片可靠性
§1.1 半导体产业介绍
① 提高芯片性能－提高速度，降低功耗 提高速度方法： 降低关键尺寸（ Critical Dimension, CD） 研发采用新材料（铜工艺、低k介质）
6.1 国内集成电路设计业 1986年我国第一家专业设计公司（现中国华大集成电路 设计公司）在北京成立； 目前IC设计单位近500家，设计行业从业人员超过5万人。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
2014年全球50大IC设计公司中国占9家
§1.1 半导体产业介绍
6.2 国内集成电路芯片制造业
△ 我国拥有的第一条6英寸IC生产线：
20世纪90年代908工程（无锡华晶项目） △ 我国拥有的第一条8英寸IC生产线： 20世纪90年代909工程（上海华虹NEC项目） △ 我国拥有的第一条12英寸IC生产线： 2004年中芯国际北京芯片生产线 △ 截至2007年，国内已经有集成电路芯片制造企业近50家， 拥有各类集成电路芯片生产线50条。截止2012年，我国 集成电路生产线合计65条。
§1.1 半导体产业介绍
3. 产业竞争
20世纪60~70年代：世界十大半导体厂商由美国一统天 下 20世纪80年代：日本半导体崛起，世界十大半导体厂商 由美、日两国平分； 20世纪90年代：产业开始出现多极化，世界十大半导体 厂商由美国、日本、欧洲瓜分； 近几年来：产业进一步多极化，2014年全球二十大半导 体厂商中，美国有8家、日本3家、欧洲3家、台湾3家、 韩国2家、新加坡1家；参见下图：
§1.1 半导体产业介绍
5.2 集成电路产业分工
IC设计公司（Fabless）：根据电子系统的要求，利用 EDA设计软件、进行电路设计、电路仿真、版图设计、 版图验证等工作，最后完成版图数据文件交给IC代工 厂。 IC代工厂（Foundry ）:利用IC设计公司的版图数据制 成光刻掩膜版，利用复杂精密的仪器设备和光刻掩膜 版等材料对硅片进行清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂 等多种复杂的工艺加工，最后制成带有芯片的硅片。
1. 产业的地位及重要性 2. 产业规模及市场需求 3. 产业竞争 4. 集成电路产业的特点 5. 集成电路产业模式及分工 6. 我国集成电路产业发展情况 7. 产业技术发展 8. 集成电路制造 9. 集成电路的发展趋势
§1.1 半导体产业介绍
1. 产业的地位及重要性 半导体产业： 与半导体器件的设计和制造相关的产业。
锗基集成电路
§1.1 半导体产业介绍
△ 1959年美国仙童公司的诺伊思（R. Noicy）开发出用于
IC的硅平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。
1959年仙童公司制造的IC
§1.1 半导体产业介绍
7.3 集成电路时代（20世纪60年代后） 集成电路发展的五个时代：
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
国内主要集成电路芯片制造企业：
台积电（上海、深圳） 中芯国际（上海、北京、武汉） 上海华虹NEC 上海先进 上海宏力 上海贝岭 无锡华润上华 无锡海力士意法 苏州和舰 常州柏玛 摩托罗拉（天津）
来自百度文库
§1.1 半导体产业介绍
6.3 国内集成电路封装测试业
在国内封装测试业的发展道路上，主要由三支力量构成： 1). 芯片制造企业内部的封装测试线（如华润微电子、华越、 首钢NEC等）； 2). 国内独立封装测试企业（如江苏长电、南通富士通、天 水华天科技等）； 3). 国外独资或合资企业（如Intel、Infineon、Samsung、 Fairchild等）（近10年来一支主要力量）。 【具有一定规模的集成电路封装测试企业已超过70家， 其 中年封装量超过10亿块的企业超过20家。】
§1.1 半导体产业介绍
△ 1947在贝尔实验室发明的固体锗晶体管
晶体管的发明者（肖克莱、巴丁、布拉顿）因此发明 获得诺贝尔奖(1956)
§1.1 半导体产业介绍
△ 固体晶体管的发明者
§1.1 半导体产业介绍
△ 1957年诞生第一个硅平面晶体管
§1.1 半导体产业介绍
△ 1958年德州仪器公司的基尔比（Jack Kilby）发明的
§1.1 半导体产业介绍
8. 集成电路制造
集成电路制造步骤：
① Wafer preparation(硅片准备)
② Wafer fabrication (硅片制造)
③ Wafer test/sort (硅片测试和拣选) ④ Assembly and packaging (装配和封装) ⑤ Final test(终测)
§1.1 半导体产业介绍
以半导体产业为核心的电子信息产业是全球第一大产 业，占全球GDP的10%。 半导体产业：3000亿美元 电子整机业务：12000亿美元 电子信息服务业：50000亿美元
战略产业，半导体产业的发展规模及技术水平是衡量 一个国家综合国力的重要标志。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
7. 产业技术发展
7.1 真空管时代（20世纪40年代前）
体积大 重量重 功耗高 可靠性差
§1.1 半导体产业介绍
长30.48米，宽6米， 高2.4米，占地面 积约170平方米， 重30英吨，耗电 量150千瓦，造价 48万美元。 包含真空管17,468 根。
ENIAC 世界上第一台通用计算机，也是继ABC（阿塔纳
② 降低芯片成本－提高集成度、增加硅片直径
③ 提高芯片可靠性－优化设计、严格控制污染 重要概念： 关键尺寸 摩尔定律 硅片尺寸
§1.1 半导体产业介绍
关键尺寸 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸；最小的特征尺 寸称为关键尺寸（ Critical Dimension, CD）；CD是衡量 工艺难度的标志，代表集成电路的工艺水平，例如0.18 微米CMOS技术就是指关键尺寸为0.18微米。
2. 产业规模及市场需求
1985~1999年15年间，全球半导体产业销售额年均增长 率：16.2%，产业规模迅速扩大；
1999~2006年7年间，全球半导体产业销售额年均增长率： 7.5%，产业规模平稳增长； 2006年产业规模达到2477亿美元，从而使电子信息产业 成为世界第一大产业； 2006年全球集成电路生产线：600条，产能主要分布在8 英寸和12英寸生产线；
索夫-贝瑞计算机）之后的第二台电子计算机。
§1.1 半导体产业介绍
7.2 固体晶体管时代（20世纪50年代后） 1947年发明固体锗晶体管（肖克莱、巴丁、布拉顿） 1957年第一个硅平面晶体管诞生（仙童半导体公司 ) 1959年发明硅基集成电路（诺伊思、基尔比）
△ △ △ △ △
无真空 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高
§1.1 半导体产业介绍
器件的CD技术节点发展趋势： CD（μm) 1994 0.6 2004 90 1995 0.35 2006 65 1997 0.25 2008 45 1999 0.18 2010 32 2002 0.13 2012 22
CD（nm)
△ 2012年，英特尔成功量产了22nm工艺技术， 台积电量
产28nm 。 △下一代：英特尔 14nm、台积电 20nm。
§1.1 半导体产业介绍
对微观尺寸的认识
§1.1 半导体产业介绍
摩尔定律
IC 的集成度将每一年半翻一番（即每18个月增长1倍） [由Intel 公司创始人戈登.摩尔提出]。
计算机界对于摩尔定律的两点推论： a) 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降 一半。 b) 用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两 番。 IC 发展的另一些规律： △ 建立一个芯片厂的造价每一年半翻一番。 △ 线条宽度每4 ~ 6 年下降一半。
§1.1 半导体产业介绍
总晶体管数/芯片（单位：百万）
§1.1 半导体产业介绍
硅片尺寸
§1.1 半导体产业介绍
硅片尺寸不断增大，芯片成本逐渐降低
降低成本
§1.1 半导体产业介绍
ITRS 2010
INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
集成电路的概念
集成电路是把电阻、电容、二极管、晶体管等多个元器 件制造在一个芯片上并具有一定功能的电路。 集成度
每个芯片上的元器件数。
§1.1 半导体产业介绍
集成电路硅片、芯片
含芯片的硅片
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
一种模拟集成电路芯片
§1.1 半导体产业介绍
一种ULSI芯片及其产品
§1.1 半导体产业介绍
2007年底，全球8英寸线近190条；12英寸集成电路生产 线超过70条，其中，台湾地区19条，美国18条，日本16 条，韩国9条，欧洲4条，我国大陆3条，新加坡1条； 截止2012年，我国集成电路生产线合计65条，其中8英 寸15条，12英寸6条；2012年最小工艺节点45nm；2015 年16nm (麒麟950)，基本与世界先进水平同步； 2012年全球半导体产业销售额达到3000亿美元； 2014年半导体产业全球销售额3398亿美元； 集成电路占个人电脑总成本的30％～40％； 据东方证券研报显示，集成电路在一部手机中其成本比 例占据40%以上；
§1.1 半导体产业介绍
集成电路一次流片的费用：
6英寸 8英寸 0.5 μm 20 万元 0.18 μm 190 万元 12英寸 90 nm 250 万元 45 nm 450 万元
IC费用
1.0 μm
0.5 μm
制版费 （每套）
12 万元
流片费 （每晶圆）
0.5 万元
0.7 万元
1.0 万元
—
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
2014年全球前二十大半导体厂商营收排名
§1.1 半导体产业介绍
2015年全球前二十大半导体厂商营收排名
§1.1 半导体产业介绍
4. 集成电路产业的特点
集成电路产业是更新换代最快的产业，产品的集成度 每18个月翻一番（摩尔定律）。
产品的性价比越来越高。
集成电路产业投资巨大，风险极高，被誉为“吞金” 产业。 投资建设集成电路生产线的费用： 8英寸线10亿美元； 12英寸线15亿美元； 8英寸集成电路生产线运转费用：100万元/天； 极高的集成电路设计风险：
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
关键 尺寸 nm 晶圆 直径 mm
29 300
27 300
24 300
22 300
20 300
18 450
17 450
15 450
§1.1 半导体产业介绍
ITRS 2010
INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
§1.1 半导体产业介绍
IC封装测试公司：在探针台自动测试系统上，对集成电 路硅片进行功能和性能测试、拣选，然后对测好的硅片 进行划片，封装。 硅片材料厂（支撑业代表）：通过拉制单晶、切片、研 磨、抛光等工序制成符合IC制造要求的硅片。
§1.1 半导体产业介绍
6. 我国集成电路产业发展情况
我国大陆的半导体产业发展十分迅速，中国是全球最大 的半导体市场，2014年中国半导体市场规模达到1400亿 美元，约占全球半导体市场营业额的41%。
集成电路芯片制造是一个复杂的系统工程
半导体产业
§1.1 半导体产业介绍
5.集成电路产业模式及分工
5.1 集成电路产业模式 1. 集成电路产业是主要以IC设计业（ Fabless 如海思、 英伟达）、IC芯片制造业（ Foundry 如台积电）、 IC封装测试业等三业为主的产业链 结构，另外还有 IC支撑业（硅片材料厂、半导体设备厂、测试仪器 厂等）。 2. IDM（Integrated Device Manufacturer/Integrated Design and Manufacture:整合元件制造/垂直整合制造） 模式：指从设计、制造、封装测试到销售自有品牌 IC都一手包办的半导体公司，如：Intel, TI, Motorola, Samsung。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
9. 集成电路的发展趋势
① 提高芯片性能 ② 降低芯片成本 ③ 提高芯片可靠性
§1.1 半导体产业介绍
① 提高芯片性能－提高速度，降低功耗 提高速度方法： 降低关键尺寸（ Critical Dimension, CD） 研发采用新材料（铜工艺、低k介质）
6.1 国内集成电路设计业 1986年我国第一家专业设计公司（现中国华大集成电路 设计公司）在北京成立； 目前IC设计单位近500家，设计行业从业人员超过5万人。
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
§1.1 半导体产业介绍
2014年全球50大IC设计公司中国占9家
§1.1 半导体产业介绍
6.2 国内集成电路芯片制造业
△ 我国拥有的第一条6英寸IC生产线：
20世纪90年代908工程（无锡华晶项目） △ 我国拥有的第一条8英寸IC生产线： 20世纪90年代909工程（上海华虹NEC项目） △ 我国拥有的第一条12英寸IC生产线： 2004年中芯国际北京芯片生产线 △ 截至2007年，国内已经有集成电路芯片制造企业近50家， 拥有各类集成电路芯片生产线50条。截止2012年，我国 集成电路生产线合计65条。
§1.1 半导体产业介绍
3. 产业竞争
20世纪60~70年代：世界十大半导体厂商由美国一统天 下 20世纪80年代：日本半导体崛起，世界十大半导体厂商 由美、日两国平分； 20世纪90年代：产业开始出现多极化，世界十大半导体 厂商由美国、日本、欧洲瓜分； 近几年来：产业进一步多极化，2014年全球二十大半导 体厂商中，美国有8家、日本3家、欧洲3家、台湾3家、 韩国2家、新加坡1家；参见下图：
§1.1 半导体产业介绍
5.2 集成电路产业分工
IC设计公司（Fabless）：根据电子系统的要求，利用 EDA设计软件、进行电路设计、电路仿真、版图设计、 版图验证等工作，最后完成版图数据文件交给IC代工 厂。 IC代工厂（Foundry ）:利用IC设计公司的版图数据制 成光刻掩膜版，利用复杂精密的仪器设备和光刻掩膜 版等材料对硅片进行清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂 等多种复杂的工艺加工，最后制成带有芯片的硅片。