集成电路项目.docx

1、集成电路项目1.1发展基础：半导体产业的发展基础是20世纪上半叶的真空管电子学、无线电通信、机械制表机和固体物理。放大电子信号的三极真空管是由Lee De Forest于1906年发明的，三极管由三个部件构成，在一个抽空气体的玻璃容器中分别封入两个电极和一个栅极。为了使部件不被烧毁，同时还要保证电子能够在电极间传输，必须用真空。Forest申请了专利并将他的真空管发明命名为音频管。因为他认为这项发明对于声音的放大和再生有一些潜力。后期真空管已经变成现代收音机、电视机以及整个电子学领域的主要电子器件，一直延续到20世纪50年代。人类对于数据计算一直有着坚持不懈的追求，第一台真正的计算机是著名科学

2、家帕斯卡（B.Pascal）发明的机械计算机。帕斯卡1623年出生在法国一位数学家家庭，他三岁丧母，由担任着税务官的父亲拉扯他长大成人。从小，他就显示出对科学研究浓厚的兴趣。19岁那年，他发明了人类有史以来第一台机械计算机。帕斯卡的计算机是一种系列齿轮组成的装置，外形像一个长方盒子，用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动，只能够做加法和减法。然而，即使只做加法，也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时，棘爪便逐渐升高；一旦齿轮转到0，棘爪就“咔嚓”一声跌落下来，推动十位数的齿轮前进一档。1890 年:美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普

3、查效率。赫尔曼.霍尔瑞斯借鉴前人的发明，用穿孔卡片存储数据，并设计了机器。结果仅用6 周就得出了准确的人口统计数据（如果用人工方法，大概要花10 年时间）。1896 年:Herman Hollerith 创办了IBM 公司的前身。在第二次大战期间由宾夕法尼亚大学将真空管用于第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分与计算器）。ENIAC重达50吨，占地300平方米，需要19000只真空管，并使用相当于160个灯塔的电量。那个时代的真空管不但昂贵而且不稳定。运行的要求是严格控制电流和电压在一个小范围内，以降低真空管的损坏率，并连接小灯泡在面板上，以便快速找出不良的管子。ENIAC除了体积大之外，它

4、的主要缺点就是可靠性差以及耗电量大，由于真空管会烧毁，因此寿命有限，为了迎合迅速发展的电子市场的需求，需要体积更小，耗电更省以及可靠性更高的电子器件。二战后，贝尔电话实验室的科学家一致努力研究固态硅和锗半导体晶体的特性。当代的半导体产业是伴随着1947年12月在贝尔电话实验室的固态晶体管的发明而诞生的，晶体管提供了真空管同样的电功能，同时具有尺寸小、无真空、可靠、重量轻、发热小和功耗低等优点。发明这种器件的三名科学家被授予1956年的物理学诺贝尔奖。这一发明开启了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。1.2 集成电路诞生：半导体这一名称的来源由于半导体材料有时是电的导体有时是非导体。半导体产

5、业迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上。被称为集成电路或简称IC。它是由1958年仙童半导体公司的罗伯特.诺伊斯和德州仪器公司的杰克.基尔比分别独立发明的。在一块集成电路上可以制造许多不同的半导体器件，如晶体管、二极管、电阻和电容，它们被连成一个有确定功能的电路。在一片硅片上芯片数的不同取决与产品的类型和每个芯片的尺寸，芯片尺寸改变取决于在一个芯片集成的水平。芯片的直径多年来一直在增大，从最初不到1英寸到现在常用的12英寸，正向18英寸进行转变。如果一片硅片上有更多的芯片，制造集成电路的成本就会大幅度降低。从IC产品技术档次来看，硅圆片尺寸越大、芯片加工线宽越小，它的技术水平就越高

6、。因为加工线宽越小、存储电路容量越大。但是对于更多类的电路而言，不同加工线宽的设计、工艺水平对应不同的产品门类。6英寸线主要对应于加工1.20.35微米的产品，8英寸线对应于加工0.50.13微米的产品。12英寸线对应加工0.13微米10纳米的产品。目前18英寸设备及工艺已在研发之中，预计在2018年左右会投入少量生产。1.3 摩尔定理：1964年，半导体产业的先驱者和英特尔公司的创始人戈登摩尔预言一块芯片上的晶体管数量大约每隔一年会翻一翻，后来在1975年被修正为每18个月翻一番，这就是业界著名的摩尔定律。对摩尔定律的关键贡献是加工硅片的能力通过减少器件的特征尺寸以及每一代新产品增加芯片上晶

7、体管数量来实现的。多年来摩尔定理一直精确的验证的集成电路产业的发展，并为产业的发展指明方向。很少有其他的产业能在这么多年一直延续着这个标准。也带来集成电路产业惊人的发展。伴随着集成电路产业的发展，提高芯片性能、提高芯片可靠性和降低芯片成本一直是产业追求的目标。不过近期业内都在谈论后摩尔时代，2010年，国际半导体技术发展路线图 ITRS）发现集成电路晶体管数量增长放缓的证据，并预计从2010年开始将需要3年时间（即到2013年底）晶体管数量才能增加一倍。摩尔定律所预言的集成电路晶体管增长速度已经放缓，因为它总是和经济发展情况相关。1.4 发展现状：以微处理器为例，1971年，英特尔公司推出了世

8、界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，之后又出现286，384，486，奔腾等多种微处理器。目前市场上主流英特尔Haswell处理器，具有四核心、GT3e核显加缓存。处理器260平方毫米、缓存77平方毫米。处理器本身集成了大约17亿个晶体管，但缓存用了多少目前尚未公开。苹果的iPhone 6使用了全新的A8处理器，这是继A7之后苹果第二款64位处理器，使用

9、了TSMC的20nm工艺。A8处理器的晶体管数量高达20亿，是A7的两倍，而核心面积比102mm2的A7还缩小了13%，A8晶体管密度比Intel 22nm 3D晶体管工艺的Haswell处理器还要高。体现了更低的耗电、更快的速度和更多的功能。2.1 工艺流程从整个集成电路的产业链来讲，首先是用户的需求通过IC设计，包括逻辑设计，电路设计和图形设计，之后用于集成电路的芯片制造。集成电路的芯片制造又称为前工序制造，这主要为了和后工序的封装测试区分。前工序包括光刻、刻蚀、离子注入、化学汽相淀积、金属化、氧化扩散等工序进行多次重复加工，右侧的图形是加工后的芯片的剖面，可以看到最底层的是最核心的晶体管

10、部分，上面多层都是金属互联部分，以形成引线。最上层是和外界电路相联系的焊球。先进的逻辑电路芯片会有高达50多次的光刻。2.2前工序流程集成电路的基础是以二氧化硅形式存在的硅元素，而沙子中富含二氧化硅。制造集成电路需要高纯度的硅原料，因此必须对沙子中的二氧化硅进行多次提炼，才能得到电子级的硅。它的纯净度要达到在每10亿个原子中只能有1个杂质原子。通过对硅熔体进行提纯，可以得到大晶体，最后产生单晶硅制造硅锭。一个硅锭大概有100公斤，纯度达到99.9999%。圆柱形的硅锭被切割成单个硅晶片，由于其形状为圆形，通常被称为晶圆。经过抛光后，晶圆表面会如镜面般洁净平整，在上面就可以进行芯片的制造。目前主

11、流的工艺都是用直径为12英寸的晶圆，单个芯片的成本由此大幅度降低。图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中涂上的光刻胶图层，类似电影胶片的制作，旋转晶圆的原因是这样可使光刻胶涂敷的非常薄且均匀。光刻胶层随机被曝光在紫外线之下，并变成可溶的物质。这个步骤的关键是掩模，它类似于蚀刻时用的模具，通过紫外线，掩模会在芯片的每一层形成各种各样的电路图案。由于光学上的需要，此段制程的照明采用偏黄色的可见光。因此俗称此区为黄光区。曝光后，大部分光刻胶会被溶剂溶解掉，掩模留下的光刻胶图案就显现出来了。干式蚀刻（又称为等离子蚀刻）是目前最常用的蚀刻方式，其以气体作为主要的蚀刻媒介，并藉由等离子能量来驱动反应。等离子体对

12、蚀刻制程有物理性与化学性两方面的影响。首先，等离子体会将蚀刻气体分子分解，产生能够快速蚀去材料的高活性分子。此外，等离子也会把这些化学成份离子化，使其带有电荷。晶圆系置于带负电的阴极之上，因此当带正电荷的离子被阴极吸引并加速向阴极方向前进时，会以垂直角度撞击到晶圆表面来获得绝佳的垂直蚀刻。湿法清洗是利用溶剂、各种酸碱、表面活性剂和水，通过腐蚀、溶解、化学反应转入溶液和冷热冲洗等方法去除晶片表面的沾污物，每次使用化学试剂后都应用超纯水清洗，以去除化学试剂的残留物。离子注入是制程工艺中掺杂的一种形式，通过各种化学杂质轰击硅晶圆表面的曝光区域，来改变相应区域内硅导电的方式，形成晶体管。离子注入技术可

13、将掺杂以离子型态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性。这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度，以穿透（植入）薄膜，到达预定的注入深度。离子注入制程可对注入区内的掺质浓度加以精密控制。基本上，此掺质浓度（剂量）系由离子束电流（离子束内之总离子数）与扫瞄率（晶圆通过离子束之次数）来控制，而离子注入之深度则由离子束能量之大小来决定。2.3 前工序流程晶体管形成后，在绝缘层上刻蚀出三个孔，并填充铜，以实现和其他晶体管的连接。接下来，晶圆被放入硫酸铜的溶液中，通过电镀将铜离子沉积到晶体管上。铜离子会沉积在晶圆表面形成一个薄薄的铜层。然后打磨掉多余的材料。为了把不同的晶体管连接起来，还需要创

14、建多个金属层。芯片的表面看上去异常平滑，实际上可能包含20或更多层复杂的电路，在放大镜下才能看到错综复杂的电路和晶体管网络，像多层的高速公路系统。接着要对晶圆进行良品测试，将各种不同的测试模式输入到每个芯片，然后检测芯片的输出，进行对比。2.4 后工序流程划片目的为将前工序加工完成后晶圆上一颗颗晶粒（die）切割分离。在进行芯片切割前，首先必须进行晶圆黏片，而后再送至芯片切割机上进行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于胶带上，粘片之目将一颗颗晶粒置于导线架上并以银胶（epoxy）黏着固定。粘片完成后之导线架则经由传输设备送至片匣内，以送至下一制程进行焊线。焊线乃是将晶粒上的接点以极细的金线（18

15、50m）连接到导线架之内引脚，进而藉此将IC晶粒之电路讯号传输至外界。塑封的主要目的为防止湿气由外部侵入、以机械方式支持导线、内部产生热量之去除及提供能够手持之形体。其过程为将导线架置于框架上并预热，再将框架置于压模机上的构装模上，再以树脂充填并待硬化。电镀是将集成电路的引线脚镀锡,以增加可焊性。由于电镀的废液会污染环境，不少新的工艺已取消电镀工序。最后根据需要电路会封装成多种形式。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小

16、，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。70年代流行的是双列直插封装，简称DIP。DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.比TO型封装（图1）易于对PCB布线;3.操作方便。80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC、塑料有引线芯片载体PLCC、小尺寸封装SOP、塑料四边引出扁平封装PQFP，1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;3.操作方便;4.可靠性高。90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严

17、格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种球栅阵列封装，简称BGA。1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能:3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;5.组装可用共面焊接，可靠性高;6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大;CSP封装其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式

18、，命名为芯片尺寸封装，简称CSP或Chip Scale Package）。CSP封装具有以下特点:1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;2.解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题;3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。3.1 技术发展2015年全球制造技术将进入16/14奈米FinFET制程世代，主要是英特尔、三星和台积电跑在最前列。由于先进制造技术门坎与成本越来越高，半导体产业的资本支出逐渐集中于几家技术主导的大型制造商。英特尔（Intel）与三星（Samsung）在2013年总计将花费250亿美元于提升其制造产能，占全球半导体资本支出的42%。从

19、20102013年的4年间，三星耗资469亿美元，其中的60%将用于内存生产，而40%则投入于其逻辑与晶圆代工服务。同一时期来看，英特尔预计将投资400亿美元的资本开支。3.2投资规模随着技术越来越高，对投资的需求也日益庞大，1999年全球8英寸生产线的产能就超过了6英寸生产线的产能，到2008年12英寸生产线的产能就超过8英寸生产线的产能，2023年预计18英寸生产线的产能会超过12英寸的产能。3.3 业界形态目前国际集成电路业态大致分为三种，分别为垂直一体化公司、设计公司和代工公司。垂直一体化公司IDM实力都比较强大，承担从产品设计到制造、封装及销售的整个产业链的过程。最早的集成电路公司都

20、为IDM公司，主要是行业分工尚未分化，产品的技术要求还不是太高。随着集成电路产业的发展，对设计、制造的技术要求，投资强度越来越高，很多公司无力分担如此庞大的成本，将制造剥离出去的情况越来越多。目前主要的IDM公司有INTEL，三星、东芝、TI等，都是个细分行业的领军企业。全球第一家晶圆代工企业就是台积电，成立于1987年，它只承担产业链中芯片前工序制造这一段，不会和客户形成竞争关系，因此客户数量直线上升，后来晶圆代工业逐渐发展，形成了当今日益庞大的企业群体。目前有台积电、联电、格罗方德、中芯国际等。设计公司专注产品的开发和版图的设计以及销售，不参与制造过程，主要成本为人力成本，属轻资产性质，因

21、此对市场反应灵活，焦点清晰，也获得的较快的发展。如高通、博通、ARM及国内的展讯等。3.4 工厂的发展为适应技术的发展，占领行业的制高点，Intel在2013年位于美国俄勒冈州的Fab 1DX二期工程已经破土动工，这也是全球第一座将会用来生产450毫米大尺寸晶圆的工厂（目前主流300毫米）。Intel展示了全球第一块450毫米晶圆，同时宣布将在今年内投资20亿美元兴建新工厂D1X二期工程的规模和刚刚完工的一期基本相当，占地面积约10.6万平方米，而后者是在2010年开工的，总耗资约30亿美元，将用来生产14nm 300毫米晶圆，Broadwell芯片就会从这里源源不断地走向全世界。即便二期工程

22、在2015年完工，Intel也需要更多时间搬迁、调试设备，毕竟450毫米晶圆是极其复杂、昂贵的新技术。事实上，荷兰半导体制造设备供应商ASML曾表示，后年交付的450毫米晶圆设备只会是原型，真正的大规模量产预计要等到2018年。3.5 后摩尔时代能帮助延续摩尔定律的三个技术450mm，EUV和TSV（硅通孔）极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），常称作EUV光刻，它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的软x 射线。光刻技术是现代集成电路设计上一个最大的瓶颈。现cpu使用的45nm、32nm工艺都是由193nm

23、液浸式光刻系统来实现的，但是因受到波长的影响还在这个技术上有所突破是十分困难的，但是如采用 EUV光刻技术就会很好的解决此问题，很可能会使该领域带来一次飞跃。但是涉及到生产成本问题，由于193纳米光刻是目前能力最强且最成熟的技术，能够满足精确度和成本要求，所以其工艺的延伸性非常强，预计到7nm以下的光刻，需要EUV的设备TSV又称为硅通孔技术，是实现芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间的垂直导通，以实现芯片间互联的新的技术。技术难点包括通孔的刻蚀、通孔的填充、堆叠的形式等。从产业链看处于前工序加工和后工序封装之间，但靠近前工序，因此目前如三星、台积电等前工序制造商都投入很大精力从事研发，这是3D封装

24、不可或缺的技术。后摩尔时代的技术突破-量子计算-神经突触计算-硅光子技术-碳纳米管-III-V半导体技术-低功耗晶体管-石墨烯技术4.1 全球市场国际机构预计全球半导体市场将继续稳定增长。世界半导体贸易统计组织（WSTS）预计2015年的增长率为3.4%，继续保持稳定增长态势。国际半导体设备与材料协会（SEMI）预测，2014年全球半导体制造设备销售额增长19.3%，2015年可望增长15.2%。智能终端将继续支撑集成电路产业快速发展。手机在2013年已经取代个人电脑跃居最大芯片应用领域，智能手机、平板电脑已经成为并将继续成为推动集成电路市场发展的主要力量。智能手机2014年全球出货量达到13

25、亿部，增长26%，2015年将继续增长12%，总量超过14亿部；2015年全球平板电脑出货量将超过PC。从区域看，日本及欧洲市场总量相对稳定，北美略有增加，中国大幅度增长，份额超过50%，早已成为全球最大的集成电路市场。4.2 细分领域直到2016年，通信和汽车IC都将引领整个IC市场的增长。预计2011-2016年，整体IC市场的复合年均增长率为7.4%，而通信IC市场则为14.1%，几乎是其两倍。同时汽车IC市场的复合年均增长率也超过整体IC市场，达9.0%。2016年，通信IC市场将达1600亿美元，比2011年增长了94%。2012年，亚太地区贡献了通信IC市场约61%的营收，2011

26、年时，亚太区占整体通信IC营收为59%。2016年，汽车IC市场的规模将近280亿美元，比2011年扩张了约53%。2012年，汽车IC最大的市场在欧洲，约占整体37%。不过，到2016年，亚太地区的汽车IC市场将与欧洲地区并驾齐驱。人口老龄化驱动了工业IC中的家庭监护与医疗市场的发展。2012年，模拟IC将贡献整体工业IC市场的45%。直到2016年，模拟IC都将是工业IC市场的最大一块。2016年，全球的国防/军事IC市场规模将达到24.6亿美元，仅占整体IC市场的0.7%，与2011年时占比保持一致。2016年时，计算机IC市场将占整体IC市场的34.0%，相比2011年的41.7%跌幅

27、颇大。2011-2016年，消费IC市场的年均复合增长率为1.9%，是所有终端市场中最低的，而且，比整体IC市场的增长幅度低了5.5%。调研机构ICInsightc预测，以平板微处理器（MPU）、DRAM和手机应用MPU为首的10种产品类别，将超过整体IC市场今年度的7%成长率，2014年呈现积极成长的IC产品类别，预料将从2013年的15项增加到19项。以消费者为主导的移动媒体装置，特别是手机与平板电脑，预料将使平板MPU（35%）和手机应用MPU（19%）领域连续第四年维持榜首或前几名位置。其他支持移动系统的IC类别包括NAND快闪记忆体（12%）及显示驱动器（10%），预料成长率也会超过

28、整体产业今年的平均增幅。2013年表现不稳定的DRAM市场，因DRAM平均售价跃升，而以32%成长率重新崛起为IC市场中大幅成长的领域之一。据预测，DRAM平均售价将在今年再次飙升，推动DRAM市场达到23%成长率，为2014年IC产品中成长第二快的领域。物联网等领域将推动集成电路产业的繁荣。物联网和可穿戴设备正在崛起，在不久的将来，联网的设备将不再仅限于智能手机、电脑等，会覆盖到智能家居、交通物流、环境保护等多个领域，物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。2014年，许多企业包括芯片、系统及软件企业都已经着手向物联网领域推进，年内发生的众多并购活

29、动，都与物联网和可穿戴设备有关，如谷歌收购智能家居公司、三星收购物联网公司、英特尔收购智能手表公司等。4.3 行业排名2014年全球前20大半导体厂总营收将达2595.62亿美元，将较去年成长9%。今年全球前20大半导体厂营收都将超越42亿美元;其中，8家厂商总部位于美国，日本有3家，欧洲也有3家，台湾同样有3家，韩国有2家，新加坡有1家。今年前6大厂排名将维持不变，英特尔（Intel）今年营收将达513.68亿美元，稳居龙头地位;三星（Samsung）营收将达372.59亿美元，居第2位;台积电营收将达250.88亿美元，位居第3。集成电路产业的主要生产基地仍然集中在美国、日本、韩国和中国台

30、湾地区。国内设计、制造的集成电路产品技术水平仍然差世界水平1-2个世代，制造企业的规模偏小，企业经济效益偏低。第一名：英特尔（Intel）IC Insights统计预估英特尔2014年营收513.68亿美元稳居龙头位置，相比2013年的483.21亿美元成长6%。1968 年，罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）、戈登摩尔（Gordon Moore）和安迪格鲁夫（Andy Grove）在硅谷共同创立了英特尔公司。经过近 40 年的发展，英特尔公司在芯片创新、技术开发、产品与平台等领域奠定了全球领先的地位，并始终引领着相关行业的技术产品创新及产业与市场的发展。英特尔为计算机工业提供关键元件，

31、包括性能卓越的微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等，这些产品是标准计算机架构的重要组成部分。英特尔一直坚守“创新”理念，根据市场和产业趋势变化不断自我调整。从微米到纳米制程，从 4 位到 64 位微处理器，从奔腾到酷睿TM，从硅技术、微架构到芯片与平台创新。 2014年2月19日，英特尔推出处理器至强E7 v2系列采用了多达15个处理器核心，成为英特尔核心数最多的处理器。2014年9月28日，英特尔公司和清华控股旗下紫光集团有限公司（“紫光集团”）共同宣布，双方已签署一系列协议，旨在通过联合开发基于英特尔架构和通信技术的手机解决方案，在中国和全球市场扩展英特尔架构移动设备的产品和应用。英特尔同时将向紫光旗下持有展讯通信和锐迪科微电子的控股公司投资人民币90亿元（约15亿美元），并获得 20%的股权，这一股权交易有待相关政府部门的批准。