集成电路原理与设计补充.ppt

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1、集成电路设计原理集成电路设计原理巢湖学院陈初侠The Principles of Integrated Circuit Design7/11/20251课程介绍课程介绍课程任务课程任务课程教学内容及安排课程教学内容及安排教材及参考书教材及参考书成绩考核办法成绩考核办法第一章7/11/20252课程任务本课程的任务是：在巩固电子类专业基础课（电路分析、数电、模电）及相关专业课程（半导体物理、半导体工艺原理、微电子器件）的前提下，学习并掌握IC的基本单元结构、工作原理及其电学特性以及集成电路工艺及其进展，能利用MOS器件构建数字集成电路并根据不同设计要求（面积，速度，功耗和可靠性），进行电路分析和

2、优化设计的能力。返回7/11/20253课程教学内容及安排总学时：总学时：64学时（课堂教学64学时）课堂教学内容：课堂教学内容：第一章：绪论（2课时）第二章：集成电路制作工艺（8课时）第三章：集成电路中的器件及模型（8课时）第四章：数字集成电路的基本单元电路（20课时）第五章：数字集成电路中的基本模块（8课时）第六章：COMS集成电路的I/O设计（4课时）第七章：MOS存储器（6课时）第八章：集成电路的设计方法和版图设计（4课时）返回7/11/20254教材及参考书教材：教材：甘学温，赵宝瑛等著，集成电路原理与设计，北京大学出版社，2006。参考书目：参考书目：Jan M.Rabaey等著，

3、周润德等译，数字集成电路：电路、系统与设计(第2版)，电子工业出版社，2004年；Sung-Mo Kang等著，王志功等译，CMOS数字集成电路分析与设计(第3版)，电子工业出版社，2004年。7/11/20255参考书目：参考书目：R.Jacob Baker等著，陈中建译，CMOS电路设计、布局与仿真，机械工业出版社，2006年；Neil H.E.Weste,David Harris等著，CMOS大规模集成电路设计（英文版 第3版），影印本，机械工业出版社，2005年。返回7/11/20256成绩考核办法考核方式平时（上课、作业等情况）理论笔试（考试）总成绩总成绩=0.7笔试成绩0.3平时成

4、绩（考勤+作业）返回7/11/20257第一章第一章绪绪论论1.1集成电路的重要作用集成电路的重要作用1.2集成电路及其分类集成电路及其分类1.3描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标1.4集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架1.5集成电路的发展历史集成电路的发展历史1.6集成电路的发展规律集成电路的发展规律1.7未来的发展和挑战未来的发展和挑战1.8我国微电子的发展概况我国微电子的发展概况课程介绍7/11/20258 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/或通讯机，它们的基础都是微电子（集成电路）。1.1集成电路

5、的重要作用集成电路的重要作用7/11/20259集成电路集成电路12元元电子产品电子产品10元元国民经济产值国民经济产值100元元?集成电路的战略地位首先表现在当代集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的国民经济的“食物链食物链”关系关系?进入信息进入信息化社会的判据：化社会的判据：半导体产值半导体产值占工农业总产值的占工农业总产值的0.5%7/11/202510据美国半导体协会（据美国半导体协会（SIA）预测预测 电子信息服务业电子信息服务业30万亿美元万亿美元相当于相当于1997年全世界年全世界GDP总总和和电子装备电子装备6-8万亿元万亿元集成电路产值集成电路产值1万亿美元万亿美元GD

6、P50万亿美元万亿美元2012年年7/11/202511其次，统计数据表明，发达国其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律家在发展过程中都有一条规律集成电路（集成电路（IC）产值的增长率（产值的增长率（RIC）高于高于电子工业产值的增长率（电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系一般有一个近似的关系RIC1.52REIREI3RGDP7/11/202512世界世界GDPGDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICEICE商业部）商

7、业部）v抓住集成电路产业，就能促进抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长高速增长7/11/202513我国台湾地区我国台湾地区60年代后期人均年代后期人均GDP200-300美元美元（1967年为年为267美元）美元）70-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业90年代年代IT业高速发展业高速发展97年人均年人均GDP=13559美元美元返回7/11/2025141.2集成电路及其分类集成电路及其分类1.什么是集成电路？什么是集成电路？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

8、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的微型结构。7/11/202515几个概念几个概念微电子学微电子学：Microelectronics一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科半导体半导体：Semiconductor内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法集成电路集成电路IC（IntegrateCircuit）：一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成芯片芯片：chip/die没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称集成系统芯片集成系统芯片SoC（Sys

9、temonaChip）：微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能7/11/2025162.集成电路的分类集成电路的分类7/11/202517按器件结构类型分类按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成双极集成电路：主要由双极晶体管构成 只含只含NPNNPN型晶体管的双极集成电路（数字电路）型晶体管的双极集成电路（数字电路）含含NPNNPN型及型及PNPPNP型晶体管的双极集成电路（模拟电路）型晶体管的双极集成电路（模拟电路）金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOS晶体管晶体管(单极晶体管单极晶体管)构成构成 NMOSN

10、MOS PMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极双极-MOS(Bi-MOS)集成电路集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi-MOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高7/11/202518按集成电路规模分类按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路小规模集成电路(SmallSca

11、leIC，SSI)中规模集成电路中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）尽管英语中有VLSI，ULSl和GSI之分，但VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。7/11/202519规摸大小通常按集成度或每个芯片

12、的门数来划分，如下表所示（以逻辑IC为例）。集成电路规模的划分集成电路规模的划分IC规模的划分SSIMSILSIVLSIULSIGSI芯片所含元件数109芯片所含门数108此外，还有按其他标准的一些此外，还有按其他标准的一些IC分类，如按电路功能和所处理分类，如按电路功能和所处理信号的不同，可分数字或逻辑信号的不同，可分数字或逻辑IC（Digital/LogicIC）、模拟）、模拟IC（AnalogIC）和数模混合）和数模混合IC（Digital-AnalogMixedIC）；）；根据所采用晶体管的不同，又可分为双极型根据所采用晶体管的不同，又可分为双极型IC和和MOS型型IC。返回7/11/

13、2025201.3描述集成电路工艺技术水平描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标的五个技术指标1.集成度（IntegrationLevel）2.特征尺寸(FeatureSize)3.晶片直径(WaferDiameter)4.芯片面积芯片面积(ChipArea)5.封装封装(Package)7/11/2025211.集成度（IntegrationLevel）是以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集

14、成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。晶片集成(Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。返回7/11/202522特征尺寸从4m70nm的成比例减少的线条2.特征尺寸(FeatureSize)/（CriticalDimension）特征尺寸定

15、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)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。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0.18m、0.15 m、0.13m工艺，Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 m。下图自左到方给出的是宽度从4m70nm按比例画出的线条。由此，我们对特征尺寸的按比例缩小有一个直观的印象。返回7/11/202523尺寸从尺寸从2寸寸12寸成比例增加的晶圆寸成比例增加的晶圆3.晶片直径(WaferDiameter)为了提高

16、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。返回7/11/202524通过下图以人的脸面相对照，我们可以对一个12吋晶圆的大小建立一个直观的印象。一个一个12吋晶圆与人脸大小的对比吋晶圆与人脸大小的对比7/11/2025254.芯片面积芯片面积(ChipArea)随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面

17、积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。5.封装封装(Package)IC的封装最初采用插孔封装THP(through-hole package)形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装(SMP)技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印制电路板的两面，使电路板的费用降低60，并使性能得到改进。返回7/11/202526设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装

18、封装测试测试系系统统需需求求1.4集成电路设计与制造的主要流程集成电路设计与制造的主要流程框架框架7/11/202527ProductionProcessFlow晶圆片多探针晶圆片多探针测试，坏的芯测试，坏的芯片打标记片打标记IC制造有以下制造有以下5个过程个过程硅晶圆片硅晶圆片晶圆处理制程晶圆处理制程打字、最后测试打字、最后测试封装封装布满芯片的硅晶圆片布满芯片的硅晶圆片 7/11/202528集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化

19、综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Singoff7/11/202529 硅单晶片与加工好的硅片硅单晶片与加工好的硅片7/11/202530集成电路芯片的显微照片（集成电路芯片的显微照片（44mm）7/11/20253164MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，1个IC中含有1.34亿只晶体管7/11/202532集成电路的内部单元集成电路的内部单元7/11/202533封装好的集成电路返回7/11/2025341.5集成电路的发展历史集成电路的发展历史1.晶体管的发明晶体管的发明 1946年1月，Bell实验室

20、正式成立半导体研究小组,W.Schokley肖克莱，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉顿。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7/11/202535肖克莱肖克莱肖克莱肖克莱(WilliamWilliamShockley)Shockley)巴丁巴丁巴丁巴丁(JohnBaJohnBardeenrdeen)布拉顿布拉顿布拉顿布拉顿(WalterWalter Brattain)Brattain)7/11/202536 二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体

21、管的发明作好了理论及实践理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组，开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中，肖克莱肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很多。经过周密的分析，巴丁巴丁提出表面态理论表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。7/11/202537 1956年诺贝尔物理学奖授

22、予美国加利福尼亚州景山（Mountain View）贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱肖克莱（William Shockley，19101989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁巴丁（John Bardeen，19081991）和美国纽约州缪勒海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉顿布拉顿（Walter Brattain，19021987），以表彰他们在1947年12月23日 发明第一个对半导体的研究和NPN点接触式Ge晶体管效应的发现。7/11/202538世界上第一个世界上第一个Ge点接触型点接触型PNP晶体管晶体管蒸金箔蒸金箔塑料楔塑料楔金属金属基极基极锗锗发发射射

23、极极集集电电极极0.005cm的间距的间距7/11/2025392.集成电路的发明集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer达默 第一次提出了集成电路的设想。1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair 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7/11/2025401958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片获得获得2000年年Nobel物理奖物理奖7/11/2025411958年发明第一块简单年发明第一块简单IC的美国的美国TI公司公司JackS.Kilby杰

24、克杰克基尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特基尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特克勒默和俄罗斯圣克勒默和俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯阿尔费罗夫一起获得阿尔费罗夫一起获得2000年年Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管、激光二极管和异质晶体管。赫伯特赫伯特克勒默克勒默杰克杰克基尔比基尔比泽罗斯泽罗斯阿尔阿尔费罗夫费罗夫7/11/202542 19591959年年 美国仙童美国仙童/飞兆公司（飞兆公司（FairchildsF

25、airchilds ）的）的R.NoicyR.Noicy诺依斯开发出用于诺依斯开发出用于ICIC的的SiSi平面工艺技术，从而推动了平面工艺技术，从而推动了ICIC制造业的制造业的大发展。大发展。1959年仙童年仙童公司公司制造的制造的IC年轻时代的诺伊斯年轻时代的诺伊斯7/11/202544 6060年年代代 TTLTTL、ECLECL出出现现并并得得到到广广泛泛应应用用。19661966年年 MOS LSIMOS LSI发明（集成度高，功耗低）发明（集成度高，功耗低）7070年年代代 MOS MOS LSILSI得得到到大大发发展展（出出现现集集成成化化微微处处理理器器，存储器）存储器）V

26、LSIVLSI，典型产品，典型产品64K DRAM 64K DRAM，1616位位 MPUMPU 8080年年代代 VLSIVLSI出出现现，使使ICIC进进入入了了崭崭新新的的阶阶段段（其其标标志志为为特特征征尺尺寸寸小小于于2 2 m m，集集成成度度 10105 5个个元元件件/片片）典典型型产产品品4M 4M DRAM(DRAM(集集成成度度 8 810106 6，芯芯片片面面积积91mm91mm2 2，特特征征尺尺寸寸0.8m0.8m，晶晶片片直直径径150mm 150mm)，于于8989年年开开始始商商业业化化生生产产，9595年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。3.集成电路发展简史集

27、成电路发展简史7/11/2025459090年代年代 ASICASIC、ULSIULSI和巨大规模集成和巨大规模集成GSIGSI等等代表更高技术水平的代表更高技术水平的ICIC不断涌现，并成为不断涌现，并成为ICIC应用应用的主流产品。的主流产品。1 G DRAM(1 G DRAM(集成度集成度2.22.210109 9，芯片面，芯片面积积700mm2700mm2，特征尺寸，特征尺寸0.18m0.18m，晶片直径，晶片直径200mm)200mm)，20002000年开始商业化生产，年开始商业化生产，20042004年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPU(P4)己超过40

28、00万晶体管，DRAM已达Gb规模。集成电路的速度不断提高，采用0.13m CMOS工艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高工作频率已超过6GHz。7/11/202546 2121世纪世纪 集成电路复杂度不断增加，系统集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统芯片或称芯片系统SoCSoC(System-on-Chip)(System-on-Chip)成为开成为开发目标发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于英特尔曾于20032003年年1111月底展示了首个能工作的月底展示了首个能工作的6

29、565纳米制程的硅片，纳米制程的硅片，Intel2004 Intel2004 年年8 8月宣布，他们月宣布，他们已经采用已经采用6565纳米，生产出了纳米，生产出了70Mbit70Mbit的的SRAMSRAM。并计。并计划于划于20052005年正式进入商业化生产阶段。使用年正式进入商业化生产阶段。使用6565纳纳米制程生产的芯片中门电路的数目是米制程生产的芯片中门电路的数目是9090纳米制程纳米制程的的1/31/3。SRAMSRAM（静态存储器）将用于高速的存储（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用设备，处理器中非常重要的缓存就是采用SRAMSRAM。返回7/11

30、/2025471.摩尔定律摩尔定律定义：定义：集成电路中的晶体管数集成电路中的晶体管数目（也就是集成度）大约每目（也就是集成度）大约每18个月翻一番。个月翻一番。1.6集成电路的发展规律集成电路的发展规律MooresLaw：Thenumberoftransistorsperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month.7/11/202548摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的贡献：特征尺寸不断缩小，大约每3年缩小1.41倍；芯片面积不断增大，大约每3年增大1.5倍；器件和电路结构的改进。19591975年IC集成度提高64K倍

31、器件尺寸缩小使IC集成度增长32倍 芯片面积增大使IC集成度增长20倍 器件和电路结构的改进使IC集成度增长100倍7/11/202549摩尔定律的验证摩尔定律的验证7/11/2025502.指导集成电路发展的等比例缩小定律指导集成电路发展的等比例缩小定律什么是什么是Scaling-down，它对集成电路的发展有，它对集成电路的发展有什么重要作用？什么重要作用？Scaling-down是指集成电路中的器件尺寸等比例缩小，为了保证器件性能不变差，衬底掺杂浓度要相应增大。通过Scaling-down使集成电路的集成度不断提高，电路速度也不断提高，因此Scaling-down是推动集成电路发展的重要

32、理论。7/11/202552按比例缩小理论按比例缩小理论为了跟上摩尔定律，器件尺寸需要不断缩小，而短沟效应等二级效应会相应出现，为了抑制二级效应，在器件按比例缩小过程中需要遵守一定的规则:恒定电场（CE）等比例缩小定律恒定电压（CV）等比例缩小定律准恒定电场（QCE）等比例缩小定律7/11/202553CE等比例缩小定律等比例缩小定律出发点：如果在缩小尺寸的过程中能够保证器件内部的电场强度不变，则器件性能就不会退化。要求：要求：所有几何尺寸，包括横向和纵向尺寸，都缩小k倍；衬底掺杂浓度增大k倍；电源电压下降k倍。影响：集成度k2倍增长电路的速度增大k倍功耗降低了k2倍获得了异常优秀的结果，但是

33、要求电源电压和器件尺寸以相同的比例缩小给电路的使用带来不便。7/11/202554CV等比例缩小定律等比例缩小定律要求：所有几何尺寸都缩小k倍；电源电压保持不变；衬底掺杂浓度增大k2倍。影响：集成度增大k2倍电路的速度提高k2倍功耗k倍增大，功耗密度k3倍增加产生的问题：功耗及功耗密度增长很快强电场引起的载流子漂移速度饱和限制了器件驱动电流的增加，影响了等比例缩小带来的电路性能改善7/11/202555QCE等比例缩小定律等比例缩小定律要求：-器件尺寸k倍缩小，-电源电压/k倍（1k）变化，-衬底掺杂浓度增大k倍 耗尽层宽度和器件尺寸一样缩小，同时维持器件内部电场分布不变，但是电场强度增大倍7

34、/11/2025561.7未来的发展和挑战未来的发展和挑战21世纪硅微电子芯片将沿着以下四个方向发展：1、继、继续沿着续沿着Moore定律前进；定律前进；2、片上系统（、片上系统（SOC）；）；3、灵巧芯、灵巧芯片，或赋予芯片更多的灵气；片，或赋予芯片更多的灵气；4、硅基的量子器件和纳米器、硅基的量子器件和纳米器件。件。1、特征尺寸继续等比例缩小，沿着、特征尺寸继续等比例缩小，沿着Moore定律继续定律继续高速发展高速发展所谓Moore定律是在1965年由INTEL公司Gordon.Moore提出的，其内容是硅集成电路按照4年（后来发展到34年）为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小

35、30%、IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。7/11/202557 沿着Moore定律发展,必然会提出微电子加工尺度和器件尺度的缩小有无极限的问题.对于加工技术极限,主要是光刻精度，随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝技术的发展。现在看来，这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变今日硅芯片以CMOS为基础的局面。7/11/202558 为了突破MOS器件的物理极限，发展下一代微电子芯片微电子芯片，

36、科技界正在研究各种可能的新一代微电子器件，包括：单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件（或统称纳电子学）、厚膜器件和功能器件等等。如果它们中有所突破，那么只要信息化社会发展有需要，微电子芯片仍将沿着Moore定律发展。7/11/2025592、片上芯片（、片上芯片（SOC）：）：微电子由集成电路微电子由集成电路（IC）向集成系统（向集成系统（IS）发展发展 片上芯片（System On a Chip）的概念是20世纪90年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。例如，现在的CPU芯片已可做到延时小于几十ps皮秒的工作速度，可是

37、如果存储器芯片仍是分离于CPU，则由于存取时间及访址延时等限制，这一高速度在计算系统中根本就不能发挥出来。这就要求把它们有机地集成到一个芯片上去。又如，即便使用光束传输信号，其延时也有3.3皮秒/毫米。所以把高速传输的信号引出芯片，通过PCB来将多芯片集成系统的方法显然已不可行。7/11/202560 实际上，即使是封装与芯片压焊块间的连线，由于寄生效应，今后在高速芯片中也要被取消。而采用所谓芯片尺寸封装（CSP），即封装的大小与芯片大小相一致而直接采用倒装焊，显然也会大大限制引出线的数目。实际上也只有把更多功能集成到一个芯片上才能解决今后的管脚数“爆炸”、测试困难和成本高等一系列问题。由此可

38、见，SOC是微电子芯片进一步发展的必然方向。90年代以来，SOC已成为微电子芯片技术发展的热点，现在其市场占IC总市场份额的10%以上，预估，21世纪初期可达50%以上。现在的SOC发展还在初级阶段，需解决一系列工艺（如DRAM、Flash与Logic技术的兼容）、设计（如IP模块智权模块，又称IP核Intellectual-Property Core）技术和设计方法、测试策略及可测试性等技术课题。7/11/202561 现在的SOC芯片有三种主要类型，一种是以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O和A/D、D/A功能于一个芯片上；另一种是以DSP为核心，多功能集成为SO

39、C；再一种则是上两种的混合或者把系统算法与芯片结构有机地集成为SOC。它们在IP利用率、通用性、芯片利用率、性能以及设计周期等方面各具优缺点，因此当前兼容共存。7/11/2025623、赋予微电子芯片更多的、赋予微电子芯片更多的“灵气灵气”微机械电子系统（MEMS）和微光电机系统（MOEMS），生物芯片（biochip）等是20世纪90年代初快速热起来的新技术，被称为硅半导体技术或微电子技术的又一次革命。它的核心是把电子信息系统中的信息获取、信息执行与当前信息处理等主要功能集成于一个芯片上（它们在当前的计算机系统中是分立的）。7/11/202563 从机械、光学、化学和生物等机、器件或系统来看

40、除了微型化以外，它还赋予这些器件和系统以一定的处理智能。从电子信息系统芯片看，这一技术等于把原来的电脑芯片集成了五官和四肢，并使之成为一个有机体，所以说这使芯片增加了“灵气”。硅MEMS（包括光机电、生物机电、化学机电与系统）发展的根据是：硅不仅是很优秀的电子材料，而且，作为半导体，它也是对各种环境能作出灵敏反应的很好的传感器材料，它的屈服强度、杨氏模量、热膨胀性能等均不亚于不锈钢。因此，它还是很好的机械材料。7/11/202564 在微电子工艺技术基础上，通过多年的研究开发，现在，把整个MEMS系统集成于一个芯片上的“灵巧”芯片技术已经逐渐成熟，MEMS各类器件和系统的年产值已经达到以百亿

41、美元计的水平。在实验室中或小批研制中已出现了如微型化学实验室芯片、微光学平台芯片，乃至包括DNA芯片在内的各种生物芯片等等。这些芯片不仅由于其“微”（体积小），更因其反应速度快，能耗和材料消耗少，以及更符合环保条件等而备受注视。各种灵巧芯片无疑在21世纪将大展威力，成为促进信息社会迅速发展的又一技术支柱。如果在过去40年人们可以用制作的工艺尺寸（如用多少微米或亚微米技术）的精细度来标志微电子芯片的水平，那么在今后的40年里，人们更需用芯片具有多大“灵气”来描述其先进性了。7/11/2025654、硅基的量子器件和纳米器件、硅基的量子器件和纳米器件 前者理论是清楚的，但从器件发展到电路，所需的技

42、术仍处于发展之中，要进入到比较普遍的应用估计仍需一二十年的时间。至于纳米器件，目前多以原子和分子自组装技术与微电子超深亚微米加工技术相结合的方法进行，特别是近年来碳纳米管的发展令人注目，在速度、集成度、特别是功耗方面都将有重大突破，但离开实际应用可能比硅基量子器件要更远一些。原文见王阳元院士在“纳米CMOS器件”书中写的序（2004年1月科学出版社出版）。7/11/2025661.8我国微电子我国微电子的发展概况的发展概况1.我国微电子学的历史我国微电子学的历史1956年五校在北大联合创建半导体专业：北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学。教师：黄昆、谢希德（女）、高鼎三、林兰英（女

43、学生：王阳元、许居衍、陈星弼、秦国刚2003年9月成立9个国家国家IC人才培养基地人才培养基地北大、清华、复旦、浙大、西电、上交大、成电、东南、华中科大7/11/202567人才培养人才培养:北大，清华，复旦大学，浙江大学，西安交北大，清华，复旦大学，浙江大学，西安交通大学，上海交通大学，华中科技大，电子科技大，通大学，上海交通大学，华中科技大，电子科技大，西安电子科技大西安电子科技大,华南理工大学华南理工大学,哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学,西北工业大学西北工业大学,上上海同济大学海同济大学,北京航空航天大学北京航空航天大学,东南大学。东南大学。15个个IC人才培养基地人才培养基地Peki

44、ngUniversity7/11/2025681982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组80年代：初步形成三业分离状态制造业、设计业、封装与测试业到2001年12月29日深圳获批为止，科技部依次批准了上海、西安、无锡、北京、成都、杭州、深圳共7个国家级国家级IC设计产设计产业化基地业化基地。除了这7个城市外，据悉还有武汉、长沙、哈尔滨、珠海等多个城市申请，但未获批准。7/11/202569集成电路产业由集成电路集成电路产业由集成电路设计设计、芯芯片加工片加工、封装与测试封装与测试三大部分组成。三大部分组成。随着IC设计的重要性的凸显及我国IC设计大环境的改善，IC设计企业规模小、水平较

45、低等，日益成为困扰我国IC业发展的难题，其中，IC高级设计人才的匮乏成为尚处于起步阶段的我国集成的最突出的难题。虽然我国每年约有300万理工科大学生毕业以及数千名从海外回国的技术人员，但其中真正与IC设计相关的专业人才却非常有限。我国是一个集成电路（IC）的“消费大国”，但同时又是一个IC的“生产小国”。7/11/202570北京上海无锡杭州深圳西安成都全国共有全国共有7个个IC产业化基地产业化基地设计业已经有设计业已经有典型产品出现：典型产品出现：嵌入式嵌入式CPU:方方舟舟,龙芯龙芯.GPU:中星微中星微(世界市场份额世界市场份额40%)ICIC卡卡:华大华大,清华同方清华同方,大唐等大唐

46、等.国内市场国内市场1010亿件亿件7/11/202571我国国产IC约占世界半导体销售额的1，国内市场满足率不到20。要发展我国的IC产业，IC设计是当务之急，而核心技术的实现依赖的是高水平IC设计人才。前些年我国的电子产品虽然发展很快，但几乎所有国产大型家用电器的关键芯片、国产手机的核心芯片、国产计算机的主要芯片，大都不是国产的，不是我国设计师设计的。其中的原因是，在集成电路（IC）领域里最能体现核心竞争力的我国集成电路设计，其发展正在为人才所困。7/11/202572据不完全统计，根据全国半导体行业协会集成电路设计分会在2002年10月的统计，国内从事集成电路设计的公司（或组织）约390

47、家，2002年底己超过400家，目前己达600家。而在2000年底这一数字仅为100家左右。但是相对雨后春笋般诞生的设计公司，设计人才特别是高级人才的极度匮乏成为日益突出的大问题：一些新开办的设计单位，公司注册了、牌子也挂了，却到处找不到高水平的设计师，虚位以待的情况比比皆是。更糟糕的是由于设计师的紧缺，导致了各用人单位之间对这类人才的恶性争夺。7/11/202573集成电路设计是资金密集型、技术密集集成电路设计是资金密集型、技术密集型和智力密集型的高科技产业型和智力密集型的高科技产业，其中资金和技术均可以通过一些方式全面引进，但IC设计人才必须以自己培养为主，这已经成为业内人士的共识。赛迪顾

48、问认为，随着IC设计人才供需矛盾的日益突出，应采用各种手段大力鼓励不同途径的IC设计教育和培训，除高等院校的正规教育外，国家应尤其鼓励工业界和科研界联合运作教育和培训项目。借助政府、高校、EDA厂商、IC设计企业以及整机企业等各方面力量，合作、交流、培训等多种方式相结合，为我国IC设计业培养不同层次的IC人才，是集成电路的发展至关重要的智力资源保障。7/11/202574最近几年，很多国外公司和台湾公司把生产线建到了上海。随着我国集成电路产业的加速发展，由国家支持成立了以北京、上海为龙头的7个国家级产业化基地，各地也出现了一大批集成电路企业，其中约600家是集成电路设计企业。据2001年12月

49、上海半导体和IC研讨会发布的消息，到2008年，中国IC产业对IC设计工程师的需求量将达到25万人，而目前只有不到4000名。IC设计是新兴学科，现在高校里，和IC最相近的专业是微电子。7/11/202575在短短的半年多时间里，上海中芯国际、上海宏力微电子、北京首钢、北京信创、天津摩托罗拉等一批中高水平的集成电路生产线相继开工建设或即将建设，形成了我国有史以来最大的一次建设集成电路生产线的高潮。上海还定出了宏伟的发展目标：建成以张江高科技园区为核心，以金桥出口加工区和外高桥保税区为延伸的微电子产业基地，计划十五期间吸引集成电路产业投资150亿美元，建成并投产1015条812英寸集成电路生产线

50、及配套封装、测试线和设计公司。7/11/202576北京立即跟进，出台了优惠政策，为集成电路企业提供“七通一平”的土地，并优选出八大处高科技园、北京林河工业开发区、北京经济开发区作为北方微电子生产建设基地。规划到2005年以前，建设58条8英寸0.25微米以上水平的生产线，20052010年再建设10条更高水平的生产线。7/11/202577我国集成电路设计企业现已形成了近百家的产业规模，其中具备一定设计规模的单位有20多家，留学海外，学有所成，回国创业的海外学子已成为CAD行业的一支重要力量。除独资设计公司外，国有集成电路设计公司2000年的总销售额超过了10亿元，其中北京华大、北京大唐微电