集成電路設計原理ThePrinciplesofIntegratedCircuitDesign

2/6/20231課程介紹課程任務課程教學內(nèi)容及安排教材及參考書成績考核辦法>>第一章2/6/20232課程任務

本課程的任務是：在鞏固電子類專業(yè)基礎課（電路分析、數(shù)電、模電）及相關專業(yè)課程（半導體物理、半導體工藝原理、微電子器件）的前提下，學習并掌握IC的基本單元結構、工作原理及其電學特性以及集成電路工藝及其進展，能利用MOS器件構建數(shù)字集成電路并根據(jù)不同設計要求（面積，速度，功耗和可靠性），進行電路分析和優(yōu)化設計的能力。<<返回2/6/20233教材及參考書教材：

甘學溫，趙寶瑛等著，集成電路原理與設計，北京大學出版社，2006。參考書目：JanM.Rabaey等著，周潤德等譯，數(shù)字集成電路：電路、系統(tǒng)與設計(第2版)，電子工業(yè)出版社，2004年；Sung-MoKang等著，王志功等譯，CMOS數(shù)字集成電路分析與設計(第3版)，電子工業(yè)出版社，2004年。2/6/20235參考書目：R.JacobBaker等著，陳中建譯，CMOS電路設計、布局與仿真，機械工業(yè)出版社，2006年；NeilH.E.Weste,DavidHarris等著，CMOS大規(guī)模集成電路設計（英文版第3版），影印本，機械工業(yè)出版社，2005年。<<返回2/6/20236成績考核辦法考核方式平時（上課、作業(yè)等情況）理論筆試（考試）總成績

總成績=0.7×筆試成績＋0.3×平時成績（考勤+作業(yè)）<<返回2/6/20237

實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是微電子（集成電路）?！?.1集成電路的重要作用2/6/20239集成電路1~2元電子產(chǎn)品10元國民經(jīng)濟產(chǎn)值100元集成電路的戰(zhàn)略地位首先表現(xiàn)在當代國民經(jīng)濟的“食物鏈”關系進入信息化社會的判據(jù)：半導體產(chǎn)值占工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的0.5%2/6/202310據(jù)美國半導體協(xié)會（SIA）預測

電子信息服務業(yè)30萬億美元相當于1997年全世界GDP總和電子裝備6-8萬億元集成電路產(chǎn)值1萬億美元GDP≈50萬億美元2012年2/6/202311世界GDP增長與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長情況比較（資料來源：ICE商業(yè)部）

抓住集成電路產(chǎn)業(yè)，就能促進GDP高速增長2/6/202313我國臺灣地區(qū)60年代后期人均GDP—200-300美元（1967年為267美元）70-80年代大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)90年代IT業(yè)高速發(fā)展97年人均GDP=13559美元<<返回2/6/202314§1.2集成電路及其分類1.什么是集成電路？IntegratedCircuit，縮寫IC通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的微型結構。2/6/2023152.集成電路的分類2/6/202317按器件結構類型分類雙極集成電路：主要由雙極晶體管構成只含NPN型晶體管的雙極集成電路（數(shù)字電路）含NPN型及PNP型晶體管的雙極集成電路（模擬電路）金屬-氧化物-半導體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構成NMOSPMOSCMOS(互補MOS)

雙極-MOS(Bi-MOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為Bi-MOS集成電路，綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜優(yōu)點是速度高、驅動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高2/6/202318按集成電路規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）

盡管英語中有VLSI，ULSl和GSI之分，但VLSI使用最頻繁，其含義往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI譯為超大規(guī)模集成，更是包含了ULSI和GSI的意義。2/6/202319§1.3描述集成電路工藝技術水平

的五個技術指標1.集成度（IntegrationLevel）2.特征尺寸(FeatureSize)3.晶片直徑(WaferDiameter)4.芯片面積(ChipArea)5.封裝(Package)2/6/2023211.集成度（IntegrationLevel）是以一個IC芯片所包含的元件(晶體管或門/數(shù))來衡量，（包括有源和無源元件）。隨著集成度的提高，使IC及使用IC的電子設備的功能增強、速度和可靠性提高、功耗降低、體積和重量減小、產(chǎn)品成本下降，從而提高了性能/價格比，不斷擴大其應用領域，因此集成度是IC技術進步的標志。為了提高集成度采取了增大芯片面積、縮小器件特征尺寸、改進電路及結構設計等措施。為節(jié)省芯片面積普遍采用了多層布線結構，現(xiàn)已達到7層布線。晶片集成(WaferScaleIntegration-WSI)和三維集成技術也正在研究開發(fā)。自IC問世以來，集成度不斷提高，現(xiàn)正邁向巨大規(guī)模集成(GigaScaleIntegration-GSl)。從電子系統(tǒng)的角度來看，集成度的提高使IC進入系統(tǒng)集成或片上系統(tǒng)(SoC)的時代。<<返回2/6/202322

特征尺寸從4μm~70nm的成比例減少的線條2.特征尺寸(FeatureSize)/（CriticalDimension）特征尺寸定義為器件中最小線條寬度(對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度)，也可定義為最小線條寬度與線條間距之和的一半。減小特征尺寸是提高集成度、改進器件性能的關鍵。特征尺寸的減小主要取決于光刻技術的改進。集成電路的特征尺寸向深亞微米發(fā)展，目前的規(guī)?；a(chǎn)是0.18μm、0.15μm、0.13μm工藝，Intel目前將大部分芯片生產(chǎn)制成轉換到0.09μm。下圖自左到方給出的是寬度從4μm~70nm按比例畫出的線條。由此，我們對特征尺寸的按比例縮小有一個直觀的印象。<<返回2/6/202323通過下圖以人的臉面相對照，我們可以對一個12吋晶圓的大小建立一個直觀的印象。

一個12吋晶圓與人臉大小的對比2/6/2023254.芯片面積(ChipArea)

隨著集成度的提高，每芯片所包含的晶體管數(shù)不斷增多，平均芯片面積也隨之增大。芯片面積的增大也帶來一系列新的問題。如大芯片封裝技術、成品率以及由于每個大圓片所含芯片數(shù)減少而引起的生產(chǎn)效率降低等。但后一問題可通過增大晶片直徑來解決。5.封裝(Package)

IC的封裝最初采用插孔封裝THP(through-holepackage)形式。為適應電子設備高密度組裝的要求，表面安裝封裝(SMP)技術迅速發(fā)展起來。在電子設備中使用SMP的優(yōu)點是能節(jié)省空間、改進性能和降低成本，因SMP不僅體積小而且可安裝在印制電路板的兩面，使電路板的費用降低60％，并使性能得到改進。<<返回2/6/202326設計芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試系統(tǒng)需求§1.4集成電路設計與制造的主要流程

框架2/6/202327集成電路的設計過程：設計創(chuàng)意+仿真驗證集成電路芯片設計過程框架是功能要求行為設計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表時序仿真布局布線——版圖后仿真否是否否是Singoff2/6/202329

硅單晶片與加工好的硅片2/6/202330集成電路芯片的顯微照片（4×4mm）2/6/20233164MSDRAM（華虹NEC生產(chǎn)）芯片面積5.89×9.7=57mm2，1個IC中含有1.34億只晶體管2/6/202332集成電路的內(nèi)部單元2/6/202333封裝好的集成電路<<返回2/6/202334§1.5集成電路的發(fā)展歷史1.晶體管的發(fā)明1946年1月，Bell實驗室正式成立半導體研究小組,W.Schokley肖克萊，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉頓。Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設想，Brattain設計了實驗。1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管2/6/202335肖克萊(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉頓(WalterBrattain)2/6/202336二戰(zhàn)結束時，諸多半導體方面的研究成果為晶體管的發(fā)明作好了理論及實踐上的準備。1946年1月，依據(jù)戰(zhàn)略發(fā)展思想，Bell實驗室成立了固體物理研究組及冶金組，開展固體物理方面的研究工作。在系統(tǒng)的研究過程中，肖克萊根據(jù)肖特基的整流理論，預言通過“場效應”原理，可以實現(xiàn)放大器，然而實驗結果與理論預言相差很多。經(jīng)過周密的分析，巴丁提出表面態(tài)理論，開辟了新的研究思路，兼之對電子運動規(guī)律的不斷探索，經(jīng)過多次實驗，于1947年12月實驗觀測到點接觸型晶體管放大現(xiàn)象。第二年1月肖克萊提出結型晶體管理論，并于1952年制備出結型鍺晶體管，從此拉開了人類社會步入電子時代的序幕。2/6/2023371956年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州景山（MountainView）貝克曼儀器公司半導體實驗室的肖克萊（WilliamShockley，1910—1989）、美國伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學的巴丁（JohnBardeen，1908—1991）和美國紐約州繆勒海爾（MurrayHill）貝爾電話實驗室的布拉頓（WalterBrattain，1902—1987），以表彰他們在1947年12月23日發(fā)明第一個對半導體的研究和NPN點接觸式Ge晶體管效應的發(fā)現(xiàn)。2/6/202338世界上第一個Ge點接觸型PNP晶體管蒸金箔塑料楔金屬基極鍺發(fā)射極集電極0.005cm的間距2/6/2023392.集成電路的發(fā)明

1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer達默第一次提出了集成電路的設想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結果2/6/2023401958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎2/6/2023411958年發(fā)明第一塊簡單IC的美國TI公司JackS.Kilby杰克·基爾比、美國加利福尼亞大學的赫伯特·克勒默和俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術學院的澤羅斯·阿爾費羅夫一起獲得2000年Nobel物理獎，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術的所作出的基礎性貢獻，特別是他們發(fā)明的IC、激光二極管和異質(zhì)晶體管。赫伯特·克勒默杰克·基爾比澤羅斯·阿爾費羅夫2/6/202342青年基爾比第一塊集成電路集成電路草圖1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州儀器半導體實驗室展示了一個構造較為簡單的設備。第一次將所有有源和無源元器件都集合到只有一個曲別針大?。ú蛔?/2英寸見方）的半導體材料上。這塊集成電路共集成了十二個元件（兩個晶體管、兩個電容和八個電阻）。Kilby本人也因此與赫伯特·克勒默和俄羅斯的澤羅斯·阿爾費羅夫一起榮獲2000年度諾貝爾物理學獎。Ge襯底上的混合集成電路，美國專利號31387432/6/2023431959年美國仙童/飛兆公司（Fairchilds

）的R.Noicy諾依斯開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC年輕時代的諾伊斯2/6/20234460年代TTL、ECL出現(xiàn)并得到廣泛應用。1966年MOSLSI發(fā)明（集成度高，功耗低）70年代MOSLSI得到大發(fā)展（出現(xiàn)集成化微處理器，存儲器）VLSI，典型產(chǎn)品64KDRAM，16位MPU80年代VLSI出現(xiàn)，使IC進入了嶄新的階段（其標志為特征尺寸小于2m，集成度105

個元件/片）典型產(chǎn)品4MDRAM(集成度8?106，芯片面積91mm2，特征尺寸0.8μm，晶片直徑150mm)，于89年開始商業(yè)化生產(chǎn)，95年達到生產(chǎn)頂峰。3.集成電路發(fā)展簡史

2/6/202345

90年代ASIC、ULSI和巨大規(guī)模集成GSI等代表更高技術水平的IC不斷涌現(xiàn)，并成為IC應用的主流產(chǎn)品。1GDRAM(集成度2.2?109，芯片面積700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直徑200mm)，2000年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2004年達到生產(chǎn)頂峰。集成電路的規(guī)模不斷提高，CPU(P4)己超過4000萬晶體管，DRAM已達Gb規(guī)模。集成電路的速度不斷提高，采用0.13μmCMOS工藝實現(xiàn)的CPU主時鐘已超過2GHz，實現(xiàn)的超高速數(shù)字電路速率已超過10Gb/s，射頻電路的最高工作頻率已超過6GHz。

2/6/20234621世紀

集成電路復雜度不斷增加，系統(tǒng)芯片或稱芯片系統(tǒng)SoC(System-on-Chip)成為開發(fā)目標、納米器件與電路等領域的研究已展開。英特爾曾于2003年11月底展示了首個能工作的65納米制程的硅片，Intel2004年8月宣布，他們已經(jīng)采用65納米，生產(chǎn)出了70Mbit的SRAM。并計劃于2005年正式進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。使用65納米制程生產(chǎn)的芯片中門電路的數(shù)目是90納米制程的1/3。SRAM（靜態(tài)存儲器）將用于高速的存儲設備，處理器中非常重要的緩存就是采用SRAM。<<返回2/6/2023471.摩爾定律定義：集成電路中的晶體管數(shù)目（也就是集成度）大約每18個月翻一番?！?.6集成電路的發(fā)展規(guī)律Moore’sLaw：Thenumberoftransistorsperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month.2/6/202348摩爾分析了集成電路迅速發(fā)展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的貢獻： –特征尺寸不斷縮小，大約每3年縮小1.41倍； –芯片面積不斷增大，大約每3年增大1.5倍； –器件和電路結構的改進。1959~1975年IC集成度提高64K倍器件尺寸縮小使IC集成度增長32倍芯片面積增大使IC集成度增長20倍器件和電路結構的改進使IC集成度增長100倍2/6/202349摩爾定律的驗證2/6/202350摩爾定律的前景摩爾定律問世40年了。人們不無驚奇地看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器芯片Pentium4的主頻已高達2G（即12000M），2011年則要推出含有10億個晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。人們不禁要問：這種令人難以置信的發(fā)展速度會無止境地持續(xù)下去嗎？不需要復雜的邏輯推理就可以知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會達到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時達到這一極限。業(yè)界已有專家預計，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素一是技術，二是經(jīng)濟。<<返回2/6/2023512.指導集成電路發(fā)展的等比例縮小定律什么是Scaling-down，它對集成電路的發(fā)展有什么重要作用？

Scaling-down是指集成電路中的器件尺寸等比例縮小，為了保證器件性能不變差，襯底摻雜濃度要相應增大。通過Scaling-down使集成電路的集成度不斷提高，電路速度也不斷提高，因此Scaling-down是推動集成電路發(fā)展的重要理論。2/6/202352按比例縮小理論為了跟上摩爾定律，器件尺寸需要不斷縮小，而短溝效應等二級效應會相應出現(xiàn)，為了抑制二級效應，在器件按比例縮小過程中需要遵守一定的規(guī)則:恒定電場（CE）等比例縮小定律恒定電壓（CV）等比例縮小定律準恒定電場（QCE）等比例縮小定律2/6/202353CE等比例縮小定律出發(fā)點：如果在縮小尺寸的過程中能夠保證器件內(nèi)部的電場強度不變，則器件性能就不會退化。要求：所有幾何尺寸，包括橫向和縱向尺寸，都縮小k倍；襯底摻雜濃度增大k倍；電源電壓下降k倍。影響：

–集成度k2倍增長

–電路的速度增大k倍

–功耗降低了k2倍獲得了異常優(yōu)秀的結果，但是要求電源電壓和器件尺寸以相同的比例縮小給電路的使用帶來不便。2/6/202354CV等比例縮小定律要求：所有幾何尺寸都縮小k倍；電源電壓保持不變；襯底摻雜濃度增大k2倍。影響：

–集成度增大k2倍

–電路的速度提高k2倍

–功耗k倍增大，功耗密度k3倍增加產(chǎn)生的問題：

–功耗及功耗密度增長很快

–強電場引起的載流子漂移速度飽和限制了器件驅動電流的增加，影響了等比例縮小帶來的電路性能改善2/6/202355QCE等比例縮小定律要求：

-器件尺寸k倍縮小，

-電源電壓α/k倍（1<α<k）變化，

-襯底摻雜濃度增大αk倍耗盡層寬度和器件尺寸一樣縮小，同時維持器件內(nèi)部電場分布不變，但是電場強度增大α倍2/6/202356§1.7未來的發(fā)展和挑戰(zhàn)21世紀硅微電子芯片將沿著以下四個方向發(fā)展：1、繼續(xù)沿著Moore定律前進；2、片上系統(tǒng)（SOC）；3、靈巧芯片，或賦予芯片更多的靈氣；4、硅基的量子器件和納米器件。1、特征尺寸繼續(xù)等比例縮小，沿著Moore定律繼續(xù)高速發(fā)展所謂Moore定律是在1965年由INTEL公司Gordon.Moore提出的，其內(nèi)容是硅集成電路按照4年（后來發(fā)展到3~4年）為一代、每代的芯片集成度要翻兩番、工藝線寬約縮小30%、IC工作速度提高1.5倍等發(fā)展規(guī)律發(fā)展。2/6/202357

沿著Moore定律發(fā)展,必然會提出微電子加工尺度和器件尺度的縮小有無極限的問題.對于加工技術極限,主要是光刻精度，隨著技術的不斷發(fā)展，體現(xiàn)為EUV（特短紫外光）的發(fā)展和電子束投影曝技術的發(fā)展?，F(xiàn)在看來，這一極限在近期內(nèi)將不會影響芯片的進步。另一方面，來自器件結構（MOS）晶體管的某些物理本質(zhì)上的限制，如量子力學測不準原理和統(tǒng)計力學熱漲落等，可能會使MOSFET縮小到一定程度后不能再正常工作，這就有可能改變今日硅芯片以CMOS為基礎的局面。

2/6/202358

為了突破MOS器件的物理極限，發(fā)展下一代微電子芯片，科技界正在研究各種可能的新一代微電子器件，包括：單電子晶體管、量子隧道器件、分子器件（或統(tǒng)稱納電子學）、厚膜器件和功能器件等等。如果它們中有所突破，那么只要信息化社會發(fā)展有需要，微電子芯片仍將沿著Moore定律發(fā)展。

2/6/2023592、片上芯片（SOC）：微電子由集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）發(fā)展

片上芯片（SystemOnaChip）的概念是20世紀90年代提出來的，它的目標是為了克服多芯片集成系統(tǒng)所產(chǎn)生的一些困難，通過提高芯片集成的系統(tǒng)功能以獲得更高的系統(tǒng)性能。例如，現(xiàn)在的CPU芯片已可做到延時小于幾十ps皮秒的工作速度，可是如果存儲器芯片仍是分離于CPU，則由于存取時間及訪址延時等限制，這一高速度在計算系統(tǒng)中根本就不能發(fā)揮出來。這就要求把它們有機地集成到一個芯片上去。又如，即便使用光束傳輸信號，其延時也有3.3皮秒/毫米。所以把高速傳輸?shù)男盘栆鲂酒?，通過PCB來將多芯片集成系統(tǒng)的方法顯然已不可行。2/6/202360

實際上，即使是封裝與芯片壓焊塊間的連線，由于寄生效應，今后在高速芯片中也要被取消。而采用所謂芯片尺寸封裝（CSP），即封裝的大小與芯片大小相一致而直接采用倒裝焊，顯然也會大大限制引出線的數(shù)目。實際上也只有把更多功能集成到一個芯片上才能解決今后的管腳數(shù)“爆炸”、測試困難和成本高等一系列問題。由此可見，SOC是微電子芯片進一步發(fā)展的必然方向。90年代以來，SOC已成為微電子芯片技術發(fā)展的熱點，現(xiàn)在其市場占IC總市場份額的10%以上，預估，21世紀初期可達50%以上。現(xiàn)在的SOC發(fā)展還在初級階段，需解決一系列工藝（如DRAM、Flash與Logic技術的兼容）、設計（如IP模塊—智權模塊，又稱IP核Intellectual-PropertyCore）技術和設計方法、測試策略及可測試性等技術課題。2/6/202361

現(xiàn)在的SOC芯片有三種主要類型，一種是以MPU為核心，集成各種存儲器、控制電路、時鐘電路，乃至I/O和A/D、D/A功能于一個芯片上；另一種是以DSP為核心，多功能集成為SOC；再一種則是上兩種的混合或者把系統(tǒng)算法與芯片結構有機地集成為SOC。它們在IP利用率、通用性、芯片利用率、性能以及設計周期等方面各具優(yōu)缺點，因此當前兼容共存。

2/6/2023623、賦予微電子芯片更多的“靈氣”微機械電子系統(tǒng)（MEMS）和微光電機系統(tǒng)（MOEMS），生物芯片（biochip）等是20世紀90年代初快速熱起來的新技術，被稱為硅半導體技術或微電子技術的又一次革命。它的核心是把電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與當前信息處理等主要功能集成于一個芯片上（它們在當前的計算機系統(tǒng)中是分立的）。2/6/202363

從機械、光學、化學和生物等機、器件或系統(tǒng)來看，除了微型化以外，它還賦予這些器件和系統(tǒng)以一定的處理智能。從電子信息系統(tǒng)芯片看，這一技術等于把原來的電腦芯片集成了五官和四肢，并使之成為一個有機體，所以說這使芯片增加了“靈氣”。硅MEMS（包括光機電、生物機電、化學機電與系統(tǒng)）發(fā)展的根據(jù)是：硅不僅是很優(yōu)秀的電子材料，而且，作為半導體，它也是對各種環(huán)境能作出靈敏反應的很好的傳感器材料，它的屈服強度、楊氏模量、熱膨脹性能等均不亞于不銹鋼。因此，它還是很好的機械材料。

2/6/202364在微電子工藝技術基礎上，通過多年的研究開發(fā)，現(xiàn)在，把整個MEMS系統(tǒng)集成于一個芯片上的“靈巧”芯片技術已經(jīng)逐漸成熟，MEMS各類器件和系統(tǒng)的年產(chǎn)值已經(jīng)達到以百億美元計的水平。在實驗室中或小批研制中已出現(xiàn)了如微型化學實驗室芯片、微光學平臺芯片，乃至包括DNA芯片在內(nèi)的各種生物芯片等等。這些芯片不僅由于其“微”（體積小），更因其反應速度快，能耗和材料消耗少，以及更符合環(huán)保條件等而備受注視。各種靈巧芯片無疑在21世紀將大展威力，成為促進信息社會迅速發(fā)展的又一技術支柱。如果在過去40年人們可以用制作的工藝尺寸（如用多少微米或亞微米技術）的精細度來標志微電子芯片的水平，那么在今后的40年里，人們更需用芯片具有多大“靈氣”來描述其先進性了。2/6/2023654、硅基的量子器件和納米器件前者理論是清楚的，但從器件發(fā)展到電路，所需的技術仍處于發(fā)展之中，要進入到比較普遍的應用估計仍需一二十年的時間。至于納米器件，目前多以原子和分子自組裝技術與微電子超深亞微米加工技術相結合的方法進行，特別是近年來碳納米管的發(fā)展令人注目，在速度、集成度、特別是功耗方面都將有重大突破，但離開實際應用可能比硅基量子器件要更遠一些。原文見王陽元院士在“納米CMOS器件”書中寫的序（2004年1月科學出版社出版）。2/6/202366§1.8我國微電子的發(fā)展概況

1.我國微電子學的歷史1956年五校在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導體專業(yè)：北京大學、南京大學、復旦大學、吉林大學、廈門大學。教師：黃昆、謝希德（女）、高鼎三、林蘭英（女）；學生：王陽元、許居衍、陳星弼、秦國剛…2003年9月成立9個國家IC人才培養(yǎng)基地北大、清華、復旦、浙大、西電、上交大、成電、東南、華中科大2/6/202367人才培養(yǎng):北大，清華，復旦大學，浙江大學，西安交通大學，上海交通大學，華中科技大，電子科技大，西安電子科技大,華南理工大學,哈爾濱工業(yè)大學,西北工業(yè)大學,上海同濟大學,北京航空航天大學,東南大學。15個IC人才培養(yǎng)基地PekingUniversity2/6/2023681982年：成立電子計算機和大規(guī)模集成電路領導小組80年代：初步形成三業(yè)分離狀態(tài)制造業(yè)、設計業(yè)、封裝與測試業(yè)到2001年12月29日深圳獲批為止，科技部依次批準了上海、西安、無錫、北京、成都、杭州、深圳共7個國家級IC設計產(chǎn)業(yè)化基地。除了這7個城市外，據(jù)悉還有武漢、長沙、哈爾濱、珠海等多個城市申請，但未獲批準。2/6/202369

集成電路產(chǎn)業(yè)由集成電路設計、芯片加工、封裝與測試三大部分組成。

隨著IC設計的重要性的凸顯及我國IC設計大環(huán)境的改善，IC設計企業(yè)規(guī)模小、水平較低等，日益成為困擾我國IC業(yè)發(fā)展的難題，其中，IC高級設計人才的匱乏成為尚處于起步階段的我國集成的最突出的難題。雖然我國每年約有300萬理工科大學生畢業(yè)以及數(shù)千名從海外回國的技術人員，但其中真正與IC設計相關的專業(yè)人才卻非常有限。我國是一個集成電路（IC）的“消費大國”，但同時又是一個

IC的“生產(chǎn)小國”。2/6/202370北京上海無錫杭州深圳西安成都全國共有7個IC產(chǎn)業(yè)化基地設計業(yè)已經(jīng)有典型產(chǎn)品出現(xiàn)：嵌入式CPU:方舟,龍芯.GPU:中星微(世界市場份額40%)IC卡:華大,清華同方,大唐等.國內(nèi)市場10億件…2/6/202371我國國產(chǎn)IC約占世界半導體銷售額的1％，國內(nèi)市場滿足率不到20％。要發(fā)展我國的

IC產(chǎn)業(yè)，IC設計是當務之急，而核心技術的實現(xiàn)依賴的是高水平

IC設計人才。前些年我國的電子產(chǎn)品雖然發(fā)展很快，但幾乎所有國產(chǎn)大型家用電器的關鍵芯片、國產(chǎn)手機的核心芯片、國產(chǎn)計算機的主要芯片，大都不是國產(chǎn)的，不是我國設計師設計的。其中的原因是，在集成電路（IC）領域里最能體現(xiàn)核心競爭力的我國集成電路設計，其發(fā)展正在為人才所困。

2/6/202372據(jù)不完全統(tǒng)計，根據(jù)全國半導體行業(yè)協(xié)會集成電路設計分會在2002年10月的統(tǒng)計，國內(nèi)從事集成電路設計的公司（或組織）約390家，2002年底己超過400家，目前己達600家。而在2000年底這一數(shù)字僅為100家左右。但是相對雨后春筍般誕生的設計公司，設計人才特別是高級人才的極度匱乏成為日益突出的大問題：一些新開辦的設計單位，公司注冊了、牌子也掛了，卻到處找不到高水平的設計師，虛位以待的情況比比皆是。更糟糕的是由于設計師的緊缺，導致了各用人單位之間對這類人才的惡性爭奪。

2/6/202373

集成電路設計是資金密集型、技術密集型和智力密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，其中資金和技術均可以通過一些方式全面引進，但IC設計人才必須以自己培養(yǎng)為主，這已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士的共識。賽迪顧問認為，隨著IC設計人才供需矛盾的日益突出，應采用各種手段大力鼓勵不同途徑的IC設計教育和培訓，除高等院校的正規(guī)教育外，國家應尤其鼓勵工業(yè)界和科研界聯(lián)合運作教育和培訓項目。借助政府、高校、EDA廠商、IC設計企業(yè)以及整機企業(yè)等各方面力量，合作、交流、培訓等多種方式相結合，為我國IC設計業(yè)培養(yǎng)不同層次的IC人才，是集成電路的發(fā)展至關重要的智力資源保障。2/6/202374最近幾年，很多國外公司和臺灣公司把生產(chǎn)線建到了上海。隨著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，由國家支持成立了以北京、上海為龍頭的7個國家級產(chǎn)業(yè)化基地，各地也出現(xiàn)了一大批集成電路企業(yè)，其中約600家是集成電路設計企業(yè)。據(jù)2001年12月上海半導體和IC研討會發(fā)布的消息，到2008年，中國IC產(chǎn)業(yè)對IC設計工程師的需求量將達到25萬人，而目前只有不到4000名。IC設計是新興學科，現(xiàn)在高校里，和IC最相近的專業(yè)是微電子。2/6/202375在短短的半年多時間里，上海中芯國際、上海宏力微電子、北京首鋼、北京信創(chuàng)、天津摩托羅拉等一批中高水平的集成電路生產(chǎn)線相繼開工建設或即將建設，形成了我國有史以來最大的一次建設集成電路生產(chǎn)線的高潮。上海還定出了宏偉的發(fā)展目標：建成以張江高科技園區(qū)為核心，以金橋出口加工區(qū)和外高橋保稅區(qū)為延伸的微電子產(chǎn)業(yè)基地，計劃"十五"期間吸引集成電路產(chǎn)業(yè)投資150億美元，建成并投產(chǎn)10～15條8～12英寸集成電路生產(chǎn)線及配套封裝、測試線和設計公司。2/6/202376北京立即跟進，出臺了優(yōu)惠政策，為集成電路企業(yè)提供“七通一平”的土地，并優(yōu)選出八大處高科技園、北京林河工業(yè)開發(fā)區(qū)、北京經(jīng)濟開發(fā)區(qū)作為北方微電子生產(chǎn)建設基地。規(guī)劃到2005年以前，建設5～8條8英寸0.25微米以上水平的生產(chǎn)線，2005～2010年再建設10條更高水平的生產(chǎn)線。2/6/202377我國集成電路設計企業(yè)現(xiàn)已形成了近百家的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，其中具備一定設計規(guī)模的單位有20多家，留學海外，學有所成，回國創(chuàng)業(yè)的海外學子已成為CAD行業(yè)的一支重要力量。除獨資設計公司外，國有集成電路設計公司2000年的總銷售額超過了10億元，其中北京華大、北京大唐微電子、杭州士蘭公司和無錫矽科4家設計公司的銷售額超過了1億元。目前，國內(nèi)每年設計的集成電路品種超過300種，大部分設計公司的技術水平在0.8~1.5微米之間，最高設計水平可達0.13微米。,2/6/202378中國主要的高科技城市一直盯著集成電路(IC)設計產(chǎn)業(yè)。如果說在2000年和2001年他們爭奪的是臺灣芯片加工服務廠(foundry)的8英寸芯片生產(chǎn)線西移項目的話(當然，這種競爭至今仍在繼續(xù))。那么從2001年下半年至今，他們爭奪的則是國家科技部的青睞--科技部手里捏著一頂名叫“國家級集成電路設計產(chǎn)業(yè)化基地”的桂冠，誰獲發(fā)一頂受益無窮。

2/6/202379目前，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已具備了一定的發(fā)展基礎，初步形成了由8個芯片生產(chǎn)骨干企業(yè)，十幾家封裝廠、幾十家設計公司、若干個關鍵材料及專用設備儀器制造廠組成的產(chǎn)業(yè)群體，并初步形成了電路設計、芯片制造和電路封裝三業(yè)并舉的局面。2/6/202380

2.我國集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀

2002年中國信息技術趨勢大會上專家指出的IC技術是IT領域熱點技術之一；IC是整個電子信息產(chǎn)業(yè)乃至國民經(jīng)濟的基礎。

目前我國的半導體集成電路生產(chǎn)分為三大類：IC設計公司（Fabless，無生產(chǎn)線）國內(nèi)半導體芯片廠家的主流產(chǎn)品是5至6英寸硅片，大約占總量的三分之二強。隨著上海華虹NEC公司8英寸生產(chǎn)線的投產(chǎn)，6至8英寸硅片的需求量將上升。芯片加工廠（Foundry）我國集成電路芯片制造業(yè)現(xiàn)己相對集中,主要分布在上海、北京、江蘇、浙江等省市。后工序（測試、封裝、設備） 其中IC設計以人為主，腦力密集型，屬高回報產(chǎn)業(yè)。2/6/202381

3.我國集成電路生產(chǎn)能力方面： 93年生產(chǎn)的集成電路為1.78億塊，占世界總產(chǎn)量的0.4%，相當于美國1969年的水平，日本1971年的水平。96年為7.09億塊，而1996年國內(nèi)集成電路市場總用量為67.8億塊,國內(nèi)市場占有率僅為10％。99年為23億塊,銷售額70多億元，國內(nèi)市場占有率不足20％，絕大部分依靠進口。2000年需求量為180億塊，預計可生產(chǎn)32億塊。總之，我國集成電路產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展水平還很低，與國外相比大約落后15年。但是，目前已具備0.25微米芯片設計開發(fā)和0.18微米芯片規(guī)模生產(chǎn)能力，以“方舟”、“龍芯”為代表的高性能CPU芯片開發(fā)成功，標志著我國已掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的部分重大核心技術。2/6/202382

中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展從產(chǎn)業(yè)熱土的長江三角洲，到市場繁華的珠江三角洲，從長于研發(fā)的北方，到人才集聚的西部，有人把這種產(chǎn)業(yè)布局，比喻是一只正在起飛的嬌燕。其中長江三角洲是燕頭，京津環(huán)渤海灣地區(qū)和珠江三角洲是雙翅，而西部是燕尾。中國的IC產(chǎn)業(yè)正是以這種燕子陣形的區(qū)域格局向前推進。4.我國微電子發(fā)展展望2/6/2023831)長江三角洲地區(qū)

以上海、江蘇、浙江為主的長江三角洲，初步形成了開發(fā)、設計、芯片制造、封裝測試及支撐業(yè)和服務在內(nèi)的完整的IC產(chǎn)業(yè)鏈。IC業(yè)界所期待的，關乎產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境的“聚集”效應在這里顯現(xiàn)。并在整個中國IC產(chǎn)業(yè)格局中舉足輕重。

長三角地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)基礎雄厚，這里有國家“908”、“909”主體工程，集中了集成電路芯片制造和封裝的骨干企業(yè)，杭州士蘭等一大批民營IC企業(yè)在這里迅速成長。國務院18號文件頒布后，這里更成為集成電路投資的熱土。中芯、宏力、和艦等紛紛在這里投資建芯片制造廠，英特爾等一大批國際知名大企業(yè)在這里新建或增資封裝廠；而科技部布點在這里三個IC設計產(chǎn)業(yè)化基地。更是推動著這里設計業(yè)的增長，僅上海的IC設計企業(yè)就有85家之多。2/6/202384上海：制造、封裝業(yè)帶到“聚集”效應

國務院18號文件出臺后，上海原有IC企業(yè)備受鼓舞，紛紛拋出新的投資計劃。根據(jù)上海集成電路行業(yè)協(xié)會（下簡稱SICA）的統(tǒng)計，自2000年6月以來，上海已經(jīng)引進IC產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略性布局投資60億美元；2001年上海地區(qū)的IC資本投資到12.62億美元，占到全國18億美元總投資的70%。

在晶圓制造業(yè)中，目前國內(nèi)規(guī)劃與在建的8英寸生產(chǎn)線中有50%以上落成戶上海，而且上海的晶圓制造項目在工藝水平和工程進度上也處于全國“領跑”的地位。截止到2002年9月底，中芯國際一、二、三廠先后宣告投產(chǎn)，工藝水平達到0.18微米；另一個8英寸項目宏力半導體的建設也在按照時間表進行，預計今年一季度末可以投產(chǎn)。同時，內(nèi)資企業(yè)中，華虹集團麾下的華虹NEC、貝嶺、先進三個8英寸項目也處于業(yè)務轉型和建設之中，將在今年陸續(xù)進入晶圓代工市場。而另一個有“標志”意義的項目是，全球第一大代工廠商臺積電在上海松江“圈地”兩平方公司里，并即將動土。

2/6/202385目前上海正在通過行業(yè)協(xié)會（SICA）的工作，發(fā)揮其對IC業(yè)發(fā)展的牽引作用。今年以來，SICA開始將加強產(chǎn)業(yè)內(nèi)上下游企業(yè)間的互動，以及建立IC企業(yè)與整機企業(yè)之間的溝通作為工作的重點，開展了一系列座談、企業(yè)互訪、行業(yè)調(diào)查等活動。

可以說，上海IC業(yè)已經(jīng)聚焦了相當多的優(yōu)勢資源，而這些“優(yōu)勢”，通過“實干”聯(lián)為一體，逐漸形成了互動的態(tài)勢，使得上海IC業(yè)的發(fā)展無論從規(guī)模上還是從速度上都在全國處于領先的地位。2/6/202386江蘇：具備良好的IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎

江蘇省半導體產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)形成了設計、芯片制造、封裝、測試、配套材料完整的產(chǎn)業(yè)格局，有著良好的基礎，在國內(nèi)同行業(yè)中具有明顯的比較優(yōu)勢。以蘇州、無錫、昆山為主的產(chǎn)業(yè)分布充分發(fā)揮了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集，輻射和示范作用。并為進一步參與國際競爭奠定了堅實的基礎。

目前，江蘇省半導體產(chǎn)業(yè)已具備了0.18微米設計技術的0.6微米的大生產(chǎn)技術和6英寸硅片月產(chǎn)1萬片的生產(chǎn)能力，年產(chǎn)集成電路芯片2億塊、封裝集成電路15億塊，晶體管生產(chǎn)超過20億只，以及比較完整的材料及設備支撐配套體系。2001年集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達到30億元，并成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)重要基地之一。2/6/202387浙江：找準半導體產(chǎn)業(yè)特色定位

浙江省微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從“六五”期間起步。當時，大功率管、塑封三極管等分立器件的開發(fā)和生產(chǎn)是浙江省微電子產(chǎn)業(yè)的主要內(nèi)容。在“七五”和“八五”期，浙江省的微電子產(chǎn)業(yè)進入調(diào)整期，集成電路芯片業(yè)開始起步。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，浙江省的微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局發(fā)生了重大變化，尤其是近兩年“天堂硅谷”戰(zhàn)略的實施，使全省掀起了新一輪發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的高潮。

目前，浙江省與集成電路有關的在建項目共41項，總投資81.3億元。2/6/2023882)京津環(huán)渤海灣地區(qū)以北京為中心，包括天津、河北、遼寧、山東組成的京津環(huán)渤海灣地區(qū)，與長江三角洲的整體產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢相比，僅僅是一個地理上的概念。京津環(huán)渤海灣地區(qū)借助地理相近的特點，形成了集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一區(qū)域優(yōu)勢。

2/6/202389

3)珠江三角洲地區(qū)

正在成為國內(nèi)乃至全球的電子制造業(yè)中心的珠江三角洲，在IC產(chǎn)業(yè)的幾個區(qū)域中，占盡市場之利。僅以深圳為例子，2001年深圳市直接使用的IC產(chǎn)品總價值超過25億美元，約占全國市場的15%，通過深圳市場流通到全國的IC產(chǎn)品達40億美元以上，約占全國的30%。

依托珠三角地區(qū)電子信息產(chǎn)業(yè)的巨大市場，珠三角的集成電路產(chǎn)業(yè)就有了騰飛的翅膀。在珠三角，以中興、華為、深圳國微、珠海炬力等單位為代表的IC設計業(yè)較為發(fā)達。有許多設計公司總部雖然不在深圳，但在深圳卻設有窗口，投資10億元瞄準高端IC測試市場的廣州集成電路測試中心，正是看中了珠三角巨大的IC市場。

2/6/202390目前廣東省半導體主要廠家有：深圳賽意法微電子有限公司、珠海南科電子有限公司、廣東風華高新科技集團有限公司、澄海電子有限公司、新會市硅峰微電子科技有限公司、珠海華晶微電子有限公司、深圳科鵬微電子有限公司、佛山市半導體器件廠、佛山電子有限公司，深圳深愛半導體有限公司、汕頭華汕電子器件公司等。2/6/202391

4)西部地區(qū)

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，以西安、成都、重慶為主的西部將不斷迎來新的發(fā)展機遇。西部有人才積淀和科研院所的集中優(yōu)勢，更有兩個國家集成電路設計產(chǎn)業(yè)化基地，目前西部地區(qū)的IC設計單位已經(jīng)發(fā)展到30余家并且還在快速增加，發(fā)展設計業(yè)將成為西部的首選。

西安：注重人才與產(chǎn)業(yè)相結合

四川：完善產(chǎn)業(yè)鏈

重慶：建設西部模擬電路生產(chǎn)基地

2/6/202392中國IC設計產(chǎn)業(yè)分布圖2/6/202393上海IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標

*到2010年總投資量600億美元，建成20~40條生產(chǎn)線，200個設計公司及20家封裝/測試廠

*帶動上海700億美元相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，成為第一大產(chǎn)業(yè)2/6/202394

上海中芯國際：14.76億美元，8英寸，0.25微米，4.2萬片/月上海宏力16.37億美元，8英寸，0.25微米，4萬片/月