第三章-微纳制造技术-1概述

1第三章微纳制造工艺补充内容：微电子工艺2什么是微电子学微电子学的战略地位晶体管的发明集成电路的发展历史集成电路的分类微电子学的特点微电子概述3微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学，是研究，利用对微尺度下固体中电子运动的控制，实现对电磁信号进行高速处理的高度集成化的电子科学。核心——集成电路4集成电路IntegratedCircuit，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5集成电路芯片的显微照片664MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管7Vsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路的内部单元8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950m100m头发丝粗细30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(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1015年（1997—2012）IC发展预测11集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求12—制造业—芯片制造过程13硅单晶片与加工好的硅片14封装好的集成电路15微电子科学技术的战略地位16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。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线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。微电子：信息社会发展的基石171980－2000年全球国民生产总值及汽车、电子、半导体、钢铁工业产值对比15%9%3%FromS.M.SZE18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19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发电量(157亿度/年)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发电量(139亿度/年)微电子对传统产业的渗透与带动作用20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”程度和使用程度数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用21微电子对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战22美国国防部各类武器装备经费预算中的电子含量*(单位：%)199319941995199619971998199920002001飞机37.640.140.339.439.138.837.838.939.1导弹52.955.259.359.959.660.360.159.559.9空间5957.658.858.958.86060.961.661.9舰船36.231.134.931.432.832.134.834.934各种炮和武器15.717.519.319.820.420.820.620.822.7车辆14.314.416.422.826.625.824.828.429.4国防预算中的电子含量40.741.241.441.44242.542.943.643.6注:*电子含量=电子采购费+科研费/国防武器装备采购费+科研费资料来源:《30thAnnualTEN-YEARFORECASTConferenceofDefense,NASAandRelatedElectronicOpportunities(fys1995-2004)》,Oct.1994微电子对国家安全与国防建设的作用23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!”24市场销售额（10亿美元）市场销售额（10亿美元）手提数据通讯*630超薄显示器*170个人电脑*470IC卡*165移动电话服务*380地面微波广播*160CPU*300DNA生物芯片160数据存储产品*270多用途通讯设备*155磁存储*250半导体设备*150电子商务*250电力交通工具150网络信息服务*230墙壁式超薄电视*145高密度磁存储*230移动电话*140系统集成芯片*210直接引入工具140家庭医疗设备*210ITS设备140互联网*200DNA加工食品135有线电视*200液晶显示器*120智能传输系统190仿制品115代理软件*180燃油汽车1102020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（NikkeiBusiness1999）微电子产业的战略重要性25我国微电子行业的发展据信息产业部的数据，2001年在全世界芯片产品销售额比2000年下降了30%左右的情况下，中国的芯片产品销售额仍然有所上升；2002年全球芯片产品销售额只回升了1.7%，而中国芯片产品销售额却增长了40%以上；2003年中国的芯片产品销售额又继续增长了30%多。很显然我国的芯片市场的需求还非常旺盛。中国科学院软件所倪光南院士指出，中国集成电路的发展方向是搞系统芯片和与之相配的嵌入式系统软件。目前在世界上系统芯片虽然还没有形成规模，但嵌入式系统软件发展非常快，从事嵌入式系统软件开发的人员也越来越多，这也给将来系统芯片的发展打下了良好的基础。26中国有关集成电路发展的政策2000年6月国务院发布18号文件《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策：国内设计、国外加工再进口的集成电路产品增值税退税政策2004年7月14日中美签署《关于集成电路增值税问题的谅解备忘录》。针对问题：中国对所有半导体产品均课征17%的增值税，却补贴国内厂商税率3%－6%；国务院发布新18号文件，已制定完毕：国家信息产业部设立创投，由财政部拨款，企业以各自的科研项目向信产部申请。发展重点：大力发展集成电路设计业；扩大集成电路制造、封装与测试生产能力，不断提高加工技术水平；重视新型半导体器件的发展以及加速发展半导体支撑业。倾斜方向：集成电路设计、生产装备和包括集成电路制造在内的“前道”工序27微电子科学和技术的发展历史28电子时代２０世纪５０年代：晶体管时代Bell实验室，Ti公司，多种晶体管替代真空管２０世纪６０年代：工艺技术IC开始，小规模IC,工艺通用性，专业供应商，公司激增２０世纪７０年代：竞争中规模集成至超大规模，批加工手工操作，成品率低，微处理器发明，需求激增，日本的竞争，半自动操作，费用昂贵，业界合作，急需标准化。２０世纪８０年代：自动化日本竞争导致美国规范行业，设备和材料供应商协会成立，强调自动化。２０世纪９０年代：批量生产CD至1微米以下，甚大规模集成电路时代，高度自动化29晶体管的发明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30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1957年仙童半导体公司制造第一个商用平面晶体管311947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖真空管和晶体管32晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿33集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer（达黙）第一次提出了集成电路的设想：他设想按照电子线路的要求，将一个线路所包含的晶体管和二极管，以及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上，从而构成一块具有预定功能的电路。1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)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。使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既用为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。341958年第一块锗集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖351961年仙童公司的罗伯特诺伊斯发明了第一块硅集成电路罗伯特•诺伊思，Intel的创立者之一，解决了金属互连问题。361962年，德州仪器为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹制导系统研制22套集成电路。这不仅是集成电路第一次在导弹制导系统中使用，而且是电晶体技术在军事领域的首次运用。到1965年，美国空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成电路消费者。37微电子发展史上的几个里程碑1962年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IBM的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第一台通用电子计算机：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000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：7min39第一个CPU：4004，10微米工艺，2300个晶体管，108KHz40PentiumIIICPU芯片,350nm工艺1993年奔腾出世，CPU开始跨入纳米时代800nm;500nm;350nm;奔腾含有310万个晶体管.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2微电子发展的规律42Intelco-founderGordenMoorenoticein1964Numberoftransistorsdoubledever12monthswhilepricekeepingunchangedSloweddowninthe1980stoevery18months（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）Amazinglystillcorrect,likelytokeepuntil2010.2微电子发展的规律－摩尔定律43英特尔4004微处理器第一个在公开市场上出售的计算机元件4004微处理器的计算能力其实并不输于世界上第一台计算机ENIAC(电子数字积分计算机)