山东大学：《集成电路制造技术》交互式多媒体计算机辅助教学课程辅导教案

山东大学 信息科学与工程学院 《集成电路制造技术》 交互式多媒体计算机辅助教学课程 课程辅导教案 山东大学信息科学与工程学院 山东大学孟堯微电子研发中心 2002.6.26

山东大学 信息科学与工程学院 《集成电路制造技术》 交互式多媒体计算机辅助教学课程 课程辅导教案 山东大学信息科学与工程学院 山东大学孟堯微电子研发中心 2002．6．26

山东大学信息科学与工程学院 《集成电路制造技术》多媒体计算机辅助教学课程 课程辅导教案 李惠军 教授(硕士研究生导师 (1)本课程绪论部分辅助教案 ★绪论部分教学内容的重点 了解半导体工业的形成及发展历史;了解半导体工业由半导体技术阶段过渡到 微电子技术阶段的技术特征;掌握微电子时代的技术特征和当代微电子产业的 技术水平。 ★该部分教学内容的难点 当代微电子技术产业发展的内在驱动因素及各因素间的技术链作用。 ★该部分教学内容的参考学时:2学时 .关于半导体及半导体工业 电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件的发展,历经近百 年,经历了四个阶段的更新换代 电子管—→晶体管→集成电路—→超大规模集成电路 历次变革都引发了电子技术和信息技术的革命。 以下为电子器件发展年表 1906年 第一只电子管诞生 1912年前后:电子管的制造日趋成熟引发了无线电技术的发展 1918年前后:逐步发现了有一类半导体材料 1920年 发现半导体材料所具有的光敏特性 1924年 发现半导体与金属接触时具有的整流特性 1932年前后:运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象 1940年:对半导体的理性研究有文章成果发表 1943年:研制出硅点接触整流二极管一美国贝尔实验室 1943年前后:电子管已成为电信息处理和传输设备的主体 1945年:第一台[电子管电子数字积分计算机( ENIAC)]诞生 有关 ENIAC的数据如下: 主要研发人员:美国宾西法尼亚大学物理学家—莫克力、美国宾西法尼亚大学电子

1 山东大学信息科学与工程学院 《集成电路制造技术》多媒体计算机辅助教学课程 课程辅导教案 李惠军 教 授（硕士研究生导师） (1)本课程绪论部分辅助教案 ★ 绪论部分教学内容的重点： 了解半导体工业的形成及发展历史；了解半导体工业由半导体技术阶段过渡到 微电子技术阶段的技术特征；掌握微电子时代的技术特征和当代微电子产业的 技术水平。 ★ 该部分教学内容的难点： 当代微电子技术产业发展的内在驱动因素及各因素间的技术链作用。 ★ 该部分教学内容的参考学时：2 学时 一．关于半导体及半导体工业 电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件的发展，历经近百 年，经历了四个阶段的更新换代。 电子管 晶体管 集成电路 超大规模集成电路 历次变革都引发了电子技术和信息技术的革命。 以下为电子器件发展年表： 1906 年： 第一只电子管诞生 1912 年前后：电子管的制造日趋成熟引发了无线电技术的发展 1918 年前后：逐步发现了有一类半导体材料 1920 年： 发现半导体材料所具有的光敏特性 1924 年： 发现半导体与金属接触时具有的整流特性 1932 年前后：运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象。 1940 年：对半导体的理性研究有文章成果发表 1943 年：研制出硅点接触整流二极管—美国贝尔实验室 1943 年前后：电子管已成为电信息处理和传输设备的主体 1945 年：第一台[电子管电子数字积分计算机（ENIAC）]诞生 有关 ENIAC 的数据如下： 主要研发人员：美国宾西法尼亚大学物理学家—莫克力、美国宾西法尼亚大学电子

工程师一埃克特 第一台电子管计算机使用电子管约17000只;电子元件约14万只;使用机电继电 器约1500只;运行功率约150千瓦(接近一台现代电动机车的牵引功率);总重量约 30吨(由23个巨型控制柜和部分外部设备组成);计算速度为:每秒钟完成八十三次 加法运算;内存:80个字节(640Bit);计算机系统占地约180平方米。 1947年12月:肖克莱和巴登等人发明半导体锗点接触三极管 1948年:提出半导体的N结理论并制成硅结型晶体三极管 1955年:硅结形场效应晶体管问世 1956年:硅台面晶体管问世 1956年:肖克莱因在半导体领域的系列成就获诺贝尔奖 1956年:肖克莱半导体实验室成立 1957年:美国仙童半导体公司成立(由肖克莱半导体实验室解体而成) 注:Inte公司总裁葛洛夫即为仙童半导体公司的创始人之 1958年:超高频硅微波晶体管问世 1959年:有人提出汽相制备单晶硅晶层的设想并或成功 1959年:有人提出硅与锗等主要半导体材料的氧化物特性数据 l960年:发明以硅外延平面结构为架构模式的晶体管制造技术,被后人称为硅外 延平面工艺技术。该技术虽经不断完善,但其思路的实质未变,沿用至今。该技术解决 了此前无法解决的晶体管性能上的若干矛盾,为晶体管由分立的模式转化为集成模式铺 平了道路(在此之前的合金及台面工艺技术是无法解决的)。 1960年12月:制造成功世界上第一块硅集成电路 (仅集成了十几只晶体管和五个电阻,而占有约三个平方厘米的面积) 1963年:仙童半导体公司提出MoS(金属-氧化物半导体)单极性集成电路结构模式 1966年:美国贝尔实验室使用较为完善的硅外延平面工艺 制成第一块公认的:大规模集成电路 (单位平方厘米的面积内集成了千只以上的晶体管和上百只电阻) 1969年:著名的美国 Intel公司宣告成立 1971年: Intel公司推出世界上第一颗微处理器4004 1971年: Intel公司推出8006微处理器 1971年:IM提出集成注入逻辑结构扩大双极性电路的集成度 1972年: Intel公司推出世界上第一块半导体存储器1103 (这是一块记忆容量为1000位[bit]的DRAM-动态随机存取存储器芯片) 1972年: Intel公司推出8008微处理器 1974年: Intel公司推出8080微处理器 (这是一块处理速度为4004微处理器的20倍的新型微处理器芯片)

2 工程师—埃克特。 第一台电子管计算机使用电子管约 17000 只；电子元件约 14 万只；使用机电继电 器约 1500 只；运行功率约 150 千瓦（接近一台现代电动机车的牵引功率）； 总重量约 30 吨（由 23 个巨型控制柜和部分外部设备组成）；计算速度为：每秒钟完成八十三次 加法运算；内存：80 个字节（640Bit）；计算机系统 占地约 180 平方米。 1947 年 12 月：肖克莱和巴登等人发明半导体锗点接触三极管 1948 年：提出半导体的 PN 结理论并制成硅结型晶体三极管 1955 年：硅结形场效应晶体管问世 1956 年：硅台面晶体管问世 1956 年：肖克莱因在半导体领域的系列成就获诺贝尔奖 1956 年：肖克莱半导体实验室成立 1957 年：美国仙童半导体公司成立（由肖克莱半导体实验室解体而成） 注：Intel 公司总裁葛洛夫即为仙童半导体公司的创始人之一 1958 年：超高频硅微波晶体管问世 1959 年：有人提出汽相制备单晶硅晶层的设想并或成功 1959 年：有人提出硅与锗等主要半导体材料的氧化物特性数据 1960 年：发明以硅外延平面结构为架构模式的晶体管制造技术，被后人称为硅外 延平面工艺技术。该技术虽经不断完善，但其思路的实质未变，沿用至今。该技术解决 了此前无法解决的晶体管性能上的若干矛盾，为晶体管由分立的模式转化为集成模式铺 平了道路（在此之前的合金及台面工艺技术是无法解决的）。 1960 年 12 月：制造成功世界上第一块硅集成电路 （仅集成了十几只晶体管和五个电阻，而占有约三个平方厘米的面积） 1963 年：仙童半导体公司提出 MOS(金属-氧化物半导体)单极性集成电路结构模式 1966 年：美国贝尔实验室使用较为完善的硅外延平面工艺 制成第一块公认的：大规模集成电路 （单位平方厘米的面积内集成了千只以上的晶体管和上百只电阻） 1969 年：著名的美国 Intel 公司宣告成立 1971 年：Intel 公司推出世界上第一颗微处理器 4004 1971 年：Intel 公司推出 8006 微处理器 1971 年：IBM 提出集成注入逻辑结构扩大双极性电路的集成度 1972 年：Intel 公司推出世界上第一块半导体存储器 1103 （这是一块记忆容量为 1000 位[bit]的 DRAM-动态随机存取存储器芯片） 1972 年：Intel 公司推出 8008 微处理器 1974 年：Intel 公司推出 8080 微处理器 （这是一块处理速度为 4004 微处理器的 20 倍的新型微处理器芯片）

1976年:Inte公司推出8085微处理器 1976年: Zilog公司推出Z80微处理器 上述两款微处理器功能极为接近,竞争十分激烈 1978年: Intel公司推出8086微处理器 1980年: Intel公司推出80186微处理器 1982年:Inte公司推出80286微处理器 1985年7月: Intel公司推出32位元的80386微处理器 1989年2月:第一颗80486微处理器在 Intel公司出炉 以下是回忆第一颗80486微处理器芯片在 Intel公司开发成功的文字 486原本预定在1988年圣诞节之前完成,只是设计实在是太复杂了,即便是圣诞节, 整个研发小组(约80人)及整条486研制生产线(约200人)仍然是三班倒二十四小 时轮值,工作的昏天黑地,二月十七日,第一颗80486微处理器芯片被取出高温钝化炉, 立刻进行电极反刻,经全面的测试通过后,人们沸腾了,办公室及生产线里处处可见五 彩缤纷的圣诞树和彩灯 1993年:推出第一颗 Pentium75微处理器(0.8微米工艺) 1994年:推出第一颗 Pentium-Ⅱ微处理器(0.6微米工艺) 1995年11月: Pentium-PRO微处理器(0.35微米工艺)问世 二.关于半导体工业向微电子产业的演变 集成电路的出现,一定程度上预示着半导体工业走向产业化和走向成熟;预示着半 导体技术向微电子技术方向上的演变开始了。集成电路的设计与制造技术的发展使世人 刮目相看,著名的摩尔定律就成功地预测了集成电路的集成度将以每一年半翻一翻的增 长率变化,而表征功能的综合指标也会相应地提高一倍。当今,已经进入电子仪器发展 的第四代:即大规模集成电路和超大规模集成电路的发展阶段。我们使用一个被称之为 “集成度”的概念来表征集成电路制造的水平及其变化。“集成度”这个概念,完全可 以反映出微电子集成电路产业集成电路芯片的设计与制造技术的水平。它表示以单个管 芯为单位,所包含(或称为集成)的晶体管个数。那么,超大规模集成电路是个什么概 念呢?超大规模集成电路的集成度界定为1000万只晶体管/单位管芯。较为严格地讲, 表征集成电路设计与制造技术水平的指标除了集成度之外,还有:单层表面电极布线的 最小线宽(当代的水平为0.18微米,或称之为深亚微米[VDSM- Very deep submicron]); 硅圆片直径(现已达12英寸一约300m) 半导体工业为什么有如此高的发展速度呢?主要原因有三 其一:集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业。制造集成电路的制造不像钢 铁、化工、机械和建筑等工业那样需要消耗大量的能源和有限的资源,制造集成电路所 用的原始材料,是蕴藏十分丰富的以硅为主体的半导体材料,它的原体形式是存在与地 壳层中的二氧化硅,可以说是取之不尽用之不竭的,矿采成本又极其低廉

3 1976 年：Intel 公司推出 8085 微处理器 1976 年：Zilog 公司推出 Z80 微处理器 上述两款微处理器功能极为接近，竞争十分激烈。 1978 年：Intel 公司推出 8086 微处理器 1980 年：Intel 公司推出 80186 微处理器 1982 年：Intel 公司推出 80286 微处理器 1985 年 7 月：Intel 公司推出 32 位元的 80386 微处理器 1989 年 2 月：第一颗 80486 微处理器在 Intel 公司出炉 以下是回忆第一颗 80486 微处理器芯片在 Intel 公司开发成功的文字： 486 原本预定在 1988 年圣诞节之前完成，只是设计实在是太复杂了，即便是圣诞节， 整个研发小组（约 80 人）及整条 486 研制生产线（约 200 人）仍然是三班倒二十四小 时轮值，工作的昏天黑地，二月十七日，第一颗 80486 微处理器芯片被取出高温钝化炉， 立刻进行电极反刻，经全面的测试通过后，人们沸腾了，办公室及生产线里处处可见五 彩缤纷的圣诞树和彩灯。 1993 年：推出第一颗 Pentium75 微处理器（0.8 微米工艺） 1994 年：推出第一颗 Pentium-Ⅱ微处理器（0.6 微米工艺） 1995 年 11 月：Pentium-PRO 微处理器（0.35 微米工艺）问世 二．关于半导体工业向微电子产业的演变 集成电路的出现，一定程度上预示着半导体工业走向产业化和走向成熟；预示着半 导体技术向微电子技术方向上的演变开始了。集成电路的设计与制造技术的发展使世人 刮目相看，著名的摩尔定律就成功地预测了集成电路的集成度将以每一年半翻一翻的增 长率变化，而表征功能的综合指标也会相应地提高一倍。当今，已经进入电子仪器发展 的第四代：即大规模集成电路和超大规模集成电路的发展阶段。我们使用一个被称之为 “集成度”的概念来表征集成电路制造的水平及其变化。“集成度”这个概念，完全可 以反映出微电子集成电路产业集成电路芯片的设计与制造技术的水平。它表示以单个管 芯为单位，所包含（或称为集成）的晶体管个数。那么，超大规模集成电路是个什么概 念呢？超大规模集成电路的集成度界定为 1000 万只晶体管/单位管芯。较为严格地讲， 表征集成电路设计与制造技术水平的指标除了集成度之外，还有：单层表面电极布线的 最小线宽（当代的水平为 0.18 微米，或称之为深亚微米[VDSM-Very deep submicron]）； 硅圆片直径（现已达 12 英寸—约 300mm）。 半导体工业为什么有如此高的发展速度呢？主要原因有三： 其一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业。制造集成电路的制造不像钢 铁、化工、机械和建筑等工业那样需要消耗大量的能源和有限的资源，制造集成电路所 用的原始材料，是蕴藏十分丰富的以硅为主体的半导体材料，它的原体形式是存在与地 壳层中的二氧化硅，可以说是取之不尽用之不竭的，矿采成本又极其低廉

其二:集成电路的设计与制造技术中的高新技术含量和技术赋加值极高,故产出 效益极大。虽然,投入一条高新技术高度集中、自动化程度极高的集成电路生产线并保 持起正常运行也需要高额的投资(建造一条当代水平的集成电路生产线约需人民币十亿 元),但它的产出效益却是十分诱人的,可称之为“吞银吐金”的工业。 其三:集成电路的设计与制造业是充满技术驱动和效益驱动的高活性产业。IC(集 成电路)产业与IT(信息通讯)产业及计算机产业构成的三位一体技术链形成了一个 良性循环的技术驱动关系。就产业效益而言:以当今的超大规模集成电来讲。其中单位 门电路的制造成本价已下降至十万分之一美元,比1965年期间下降了310万倍。而现 在的以集成电路为技术依托的电子计算机也比早期的计算机降低了数万倍。有人匡算 过,如果汽车制造业也具有与集成电路产业相类似的产业发展速度,那现在即便是最为 豪华的高档轿车其生产价也不超过一美元。因此,集成电路产业的效益驱动力也是相当 大的。 许多国家已将集成电路制造产业视为比石油产业和钢铁产业更为重要的支柱性产 业。正是由于半导体工业的高速发展,极大地加速了半导体装置的微型化发展进程,促 使了电子器件的集成化和微系统化。人们将其称之为半导体工业向微电子产业的演变过 程 三.关于半导体产业的发展趋势-进入微电子时代 读到这个题目,你可能会产生一个问题:何为“微电子时代”。是的,多少年来, 人们似乎都在谈论什么“电子时代”或“电器时代”。“微电子时代”这个名词还未曾听 说过。其实,着眼于当今世界科技的发展现状,我们已经接近或者说已经进入“微电子 时代”了。问题在于,对“微电子时代”是怎样定义的。 事实上,“电子时代”是由“电真空阶段”延续到“固体电子阶段”的。所谓“固 体电子阶段”,就是人们常说的“半导体技术阶段”,而当分立器件逐步过渡到“集成电 路阶段”时,就出现了诸如:半导体器件集成化、电子系统集成化、电子系统微型化, 出现了人们现在并不陌生的“微电子技术”这一题法。可以看得出,由“半导体技术” 到“微电子技术”不仅仅是量的变化。而电子领域全面进入“系统集成化”则可以认为 进入了“微电子时代”。 我们知道,1959年设计出的第一块集成电路(可简称为IC- Integrate Circuit) 仅包含有四只晶体管及几只电阻。而到了1998年,若以单个管芯为单位,所包含(或 称为集成)的晶体管数近5个 Million(注:1 Million=1百万)。不到四十年的时间 集成电路的设计与制造技术水平何以发展地如此惊人,除了各个工业与技术领域的发展 对微电子产业具有相当大的促进作用之外,更为重要的是微电子集成电路设计与制造技 术的突飞猛进直接促使了计算机硬件技术和计算机软件技术的不断革命和高速发展。集 成电路的设计手段与制造技术同计算机的软、硬件技术构成了一个“技术链”的互为辅 助的关系。正是这样一种“技术链”的存在及其互为辅助的关系使得两者形成了一种相

4 其二：集成电路的设计与制造技术中的高新技术含量和技术赋加值极高，故产出 效益极大。虽然，投入一条高新技术高度集中、自动化程度极高的集成电路生产线并保 持起正常运行也需要高额的投资（建造一条当代水平的集成电路生产线约需人民币十亿 元），但它的产出效益却是十分诱人的，可称之为“吞银吐金”的工业。 其三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动和效益驱动的高活性产业。IC（集 成电路）产业与 IT（信息通讯）产业及计算机产业构成的三位一体技术链形成了一个 良性循环的技术驱动关系。就产业效益而言：以当今的超大规模集成电来讲。其中单位 门电路的制造成本价已下降至十万分之一美元，比 1965 年期间下降了 310 万倍。而现 在的以集成电路为技术依托的电子计算机也比早期的计算机降低了数万倍。有人匡算 过，如果汽车制造业也具有与集成电路产业相类似的产业发展速度，那现在即便是最为 豪华的高档轿车其生产价也不超过一美元。因此，集成电路产业的效益驱动力也是相当 大的。 许多国家已将集成电路制造产业视为比石油产业和钢铁产业更为重要的支柱性产 业。正是由于半导体工业的高速发展，极大地加速了半导体装置的微型化发展进程，促 使了电子器件的集成化和微系统化。人们将其称之为半导体工业向微电子产业的演变过 程。 三. 关于半导体产业的发展趋势-进入微电子时代 读到这个题目，你可能会产生一个问题：何为“微电子时代”。是的，多少年来， 人们似乎都在谈论什么“电子时代”或“电器时代”。“微电子时代”这个名词还未曾听 说过。其实，着眼于当今世界科技的发展现状，我们已经接近或者说已经进入“微电子 时代”了。问题在于，对“微电子时代”是怎样定义的。 事实上，“电子时代”是由“电真空阶段”延续到“固体电子阶段”的。所谓“固 体电子阶段”，就是人们常说的“半导体技术阶段”，而当分立器件逐步过渡到“集成电 路阶段”时，就出现了诸如：半导体器件集成化、电子系统集成化、电子系统微型化， 出现了人们现在并不陌生的“微电子技术”这一题法。可以看得出，由“半导体技术” 到“微电子技术”不仅仅是量的变化。而电子领域全面进入“系统集成化”则可以认为 进入了“微电子时代”。 我们知道，1959 年设计出的第一块集成电路（可简称为 IC-Integrate Circuit） 仅包含有四只晶体管及几只电阻。而到了 1998 年，若以单个管芯为单位，所包含（或 称为集成）的晶体管数近 5 个 Million(注：1 Million = 1 百万)。不到四十年的时间， 集成电路的设计与制造技术水平何以发展地如此惊人，除了各个工业与技术领域的发展 对微电子产业具有相当大的促进作用之外，更为重要的是微电子集成电路设计与制造技 术的突飞猛进直接促使了计算机硬件技术和计算机软件技术的不断革命和高速发展。集 成电路的设计手段与制造技术同计算机的软、硬件技术构成了一个“技术链”的互为辅 助的关系。正是这样一种“技术链”的存在及其互为辅助的关系使得两者形成了一种相