集成电路发明逾50年——两人一小步，人类一大步在线视频

好 我们第三节

讲储存器IC和逻辑LSI的进展

就是大规模集成电路的进展

我们这个电路里边

就是说CMOS结构的断面结构

这个CMOS中文名称为互补金属

氧化物半导体晶体管

在MOSIC发展早期

人们发现数字电路中

将PMOS和NMOS相串联

会大大减小静态功耗

这种电路就是CMOS电路

最基本的CMOS结构

是一种反相器

具有优异的电压传输特性

抗干扰能力极强

并且功耗只发生在

高低电平转换的时候

这些优点使CMOS在现代IC中

有着极为重要的作用

这个图是CMOS结构的断面模式图

采用的是p型硅基板

就是说这个硅本身是p型的

那么p型就是说

你看这个第一个图

是单阱式的

是n阱的一种

第二种是双阱式的

第三是三阱式的

那么单阱式的是什么呢

我们刚才讲了

是p型的硅的基板

这个p型当中的话呢

我要做一个n阱采取动掺杂

做一个n阱上里头的话

我再做什么呢

我再做源极漏极

也可以的话直接在什么

在p型上我不打这个n型阱

我做什么呢

直接做n型的源n型的漏

那么这样组合起来的话

就变成这个CMOS

它互补嘛 它互补嘛

这两个串联嘛

第二个是双阱式的

由n阱 有p阱与n阱两种

是什么意思呢

我采用的这个基板

是p型的硅基板

我在p型的硅基板当中

通过掺杂制作p阱制作n阱

在p阱当中我做什么呢

我做n型的源或者n型的漏

我在n阱当中呢

做p型的源p型的漏

第三种呢是三阱式的

n阱内设p阱与单独n阱

这它是怎么做的呢

它是p型的n基板

p型的n基板通过掺杂

我制作n阱

右边制作n阱

左边的话实际上是做了三阱

是什么呢

是先做什么 n阱 然后做p阱

p阱里边的话做n源

n型源n型漏

在n阱里边的话做p型源p型漏

那么这样的话得到了三阱式的

那么这种三阱式的对于耐高压

MOS三极管当中

是必不可缺少的

那么这个意思是什么呢

CMOS 注意CMOS是NMOS

PMOS 相串联的结果

相串联的结果

注意 它这是实现它的

这个方法

那么顺便的话

我讲讲快闪存储器三极管当中的

写入 清除 读出的工作原理

我们知道快闪存储器

它有一个浮栅

注意

它有一个浮栅

浮栅的话是不接外电源的

浮栅是不接外电源的

那么通过栅极上加的电压

来影响这个浮栅

影响这个浮栅

这个浮栅的话可以充电放电

可以充电放电

我们知道第一个图

是什么呢是写入

我们看左边这个电路图

第二个图是消除

第三个图是读出

消除单元

具有与通常三极管

初期特征相同的特性

写入单元在复制栅极中

电子负电荷的作用下

在栅极下施加的正电压被抵消

从而不能进行写入操作

这是它的结构工作原理

写入的时候消除的时候

读出的时候

这边是电路图

我们说这个器件的进步

刚才讲了都随着材料

和制成的进步而不断的

往前发展

不断的往前发展

我们从这个图上可以看到

在做这个

动态存储器的时候

我刚才讲了要用到什么

要用到高介电常数的介电材料

第二个的话在材料上

我们知道铜布线

被铝布线所代替了

第三个用铁类材料

作为介电材料

这个气电的进步

气电的进步本身它都是

有材料做基础的

有材料做基础的

那么这张图就是说

我们IC制造的全过程

那么一般来讲的话

一般说的话是前工序

后工序

从集成电路制造

前工序后工序前道工序后道工序

我们从材料的角度来讲

我愿意把它叫做IC制造的全工程

分前工程和后工程

为什么我们要前工程后工程呢

主要是大规模集成电路

无论是前工程还是后工程

无论是前工序还是后工序

都牵扯到材料

我们因为是材料工作者

我们看这个问题

我们以工程的角度

以工程的角度

你们看前工程

有的把前工程就分成

叫做掩模工程

masking

注意它不是mask mask是个名词

masking是个动名词

masking就是制作图形

制作图形

那么扩散工程的话

就制造刚才讲的P型n型

这种半导体

要通过注入或者扩散

把它叫做什么呢

一个是这个掩模工程

一个叫做扩散工程

扩散工程里边的话包括离子注入

包括扩散

后工程里头主要是个封装工程

它牵扯到什么呢

你看划片裂片 引线 检测

所以半导体制作工程

又包括哪些呢

那个硅圆片的投入 成模

要光刻要杂质导入

要性能检查

这是前工程的

那么后工程包括切片 包括裂片

包括切片包括芯片固定

包括引线键合包括封装

包括热老炼 温度循环

包括电镀引脚成型

性能检测加速实验

性能等入户检查等等这些

我们这时的话从硅圆片入手

那么看它的工艺的话

就是光刻过程当中的

低光刻胶

制作掩模 然后离子注入

扩散 最后划片裂片

最后导出一个半导体来

这是它的整个的制作工程

注意 那么从材料的角度

从材料的角度那个半导体产业链

那它包括什么呢

包括高纯的多晶硅

当然高纯的多晶硅是怎么来的

咱们下边再讨论

由高纯的多晶硅变成单晶硅

单晶硅完了以后

要变成这个硅片

有抛光片外延片

抛光片完了以后的话呢

叫做芯片或者叫做晶片

晶片完了封装

封装完了电子产品

因为从多晶硅材料到半导体

这个产业链是这么个过程

当然多晶硅怎么来的

我们待会再说

它包括高纯多晶硅 单晶硅

硅片 芯片封装

最后到电子产品

我这张图我再略微详细的讲讲

集成电路的工艺流程

集成电路的工艺流程

你们看看从这个图上来讲

它是分成前道工序和后道工序

注意 前道工序是哪呢

就是说左下边的虚线头下边的

这叫做什么呢

这叫做前道工序

那么后道工序呢

是右边的这个红箭头指的

这是后道工序

注意看那个英文写的

Back-End processing

这个的话是Front-End Processing

注意这边叫做后道工序

这边叫做前道工序

那么前道工序后道工序

这个圆形最上面那个箭头

实际上是个什么呢

是为它服务的做晶圆

做硅圆片

你们看上边这个是为它们

前道工序后道工序的

首先从那个黑白箭头的

交叉点开始

注意 这是开始

开始什么呢使晶体生长

多晶硅完了以后要长单晶

长单晶晶体生长

晶体生长完了以后要切片

要切片

切片完了以后边缘要研磨

研磨完了以后的话呢要抛光

以抛光片的形式给这个

集成电路厂家

有的是以外延片的形式

给集成电路厂家

这个是等于是为它做准备

做准备的 从多晶硅开始

到单晶硅到什么呢

到单晶硅棒 棒完了以后就切片

切片完了以后就研磨或者是外延

给集成电路厂家提供什么呢

提供抛光片和外延片

从黄箭头开始 注意黄箭头开始

就是进入了集成电路的前道工序

首先来了以后是外延沉积

要晶圆检查

要进行化学气相沉积要光刻

光刻完了以后要光刻成像

光刻成像了要等离子刻蚀

要离子注入要热处理要干法刻蚀

最后的话物理气相沉积

要化学机械研磨

最后要晶圆刻蚀

从通过这个黄箭头所指的

这个前道工序

或者叫做前工艺 我们给它叫做

前工程 制造出什么呢

制造出来一个晶圆

前面给的是个硅圆片

经过加工以后把集成电路

制作在这一个晶圆上

我们再看看红箭头

叫做后道工序

后道工序

我们叫做后工艺

或者我们给它叫做后工程

那么制造出晶圆呢

要晶圆要检查

晶圆要涂附

涂附完了以后呢

晶片要双面研磨要划片要裂片

要压焊要封装要产品测试

最后出来产品了

所以从这个图当中

我们可以看到

先做准备

由多晶硅变成了一个晶圆

晶圆完了以后的话

经过加工把电路图形弄到上面去

弄到上面去的话

得后道厂家或者是后道工序

后道工序的话检查完了以后

涂胶 划片裂片

最后变成一个小小的

刚才讲15毫米见方的

那么一个10毫米15毫米见方的

这么一个芯片或者叫做晶片

这个芯片 芯片完了以后呢

要给它连上引线

连上引线的话就是灌上环氧树脂

最后以产品形式

这就变成了

这里边的话呢涉及到好多的

首先你集成电路要设计吧

要涉及到子系统吧

要涉及到工艺材料吧

要有各种气体及相配套的一些

一些设备或者一些材料

是不是 还要临界点

常数材料等等这些各种材料

相配合 所以这个晶圆里边的

这个黄字写的都是相配合的工艺

所以这个集成电路

除了涉及到非常高精的技术之外

这个材料也是必不可缺的

而且这个材料是整个的集成电路

里边的基础

好 我们现在就讲一下

我取到一些数据

我们看看2013年

2014年 2015年差别

差别也不是特别大了

它是百分之几的速度往上增长

我们这个集成电路全世界的

总的半导体的产值到多少呢

3056亿美元

三千亿美元

注意三千亿美元

全世界产值是一个很大的量

这个量大到什么程度呢

可以跟汽车石油钢铁相比

甚至要超过他们的企业

注意 全世界半导体的产能

产量是多少呢

是3056亿美元

注意这个数字是很大的

其中集成电路占多少呢

占2518亿美元

这里边又分这个数字式的

还有摩斯等等这些

注意这里边你看看它要细分

有存储器有这个CPU

有逻辑电路等等这些

它分的很细

这是全世界的这个

这个市场的情况

那么我这张图呢

就讲了一下2010年到2014年

全球多晶硅需求的走势

那么其中紫的是半导体多晶硅

黄的是太阳能多晶硅

这个蓝的线是总的

二者加在一块的它的情况

总的多晶硅的增长率

总的多晶硅的增长率

注意看 全世界的产量

大概是有20万吨的样子

20万吨的样子

那么其中这个半导体

半导体所用的这个多晶硅的

大概是个几万吨

太阳能电池增加很多

那么这张图是2013年

全球多晶硅价格的走势

价格的走势

你看它有一定的波动

有一定的波动

那么现在的话呢是往上

往上涨的这个情况

好 这张图我们就看看

全球12大 12英寸

晶圆产能的供应商

你看我下边有几张表格

第一张表格的话

就是说这个12英寸的晶圆

它的产能在什么地方

你有哪些厂家

另外它产的这些晶圆

供给哪些用户

供给哪些用户

那么第三我们看看

我们国内的有哪些厂家

因为我们要 我们这个叫

创新材料学嘛

我们这一章讲的是半导体

及其所用的材料

我们必须对世界整个的形势

有所了解

2013年全球12大

12英寸晶圆产能的供应商

第一是三星

第一是三星它占比率是18.4%

第二个是美光尔必达

美光尔必达它是美国的Micro

Electronics

它这个公司收购了什么呢

收购了尔必达

它是美日的公司 注意

第三大厂家的话是SK海力士

这是现代 它是现代

以现代的这个作为它的

这个财阀作为后盾

它占了11.6%

第四是英特尔这是美国公司

第五是台积电

第六大公司是东芝

第七大公司是格罗方德

格罗方德原以三星

第七是南亚科技是台商

第八是台商的企业

第十力晶 Powerchip

力晶也是台商企业

第十一是德州仪器

第十二是中芯国际

中芯国际的话

是在北京的中芯国际

我们看看全球

十二大十二英寸的晶圆的供应商

被谁所控制呢

被韩国 美国 日本

台湾地区所控制

你看 第一三星

第三 海力士

第七 格罗方德

他们占的比例都是很高的

这是韩国的企业

我们看看台湾的企业是什么呢

第五台积电 第八南亚科技

第九联电 第十力晶

这不都是台湾的企业嘛

美国的企业的话

美光尔必达 英特尔

第四是英特尔

第十一等等

我们中国的企业就是中芯国际

我们看看这个形势

是非常非常严峻的

这是晶圆的厂商

我们这张图是台湾地区

半导体业在大陆十二英寸的

晶圆厂家布局图

你看第一个是注意它是12英寸的

注意12英寸的

这里边的话没有谁

没有刚才讲的这个中芯国际

也没有这个英特尔在大连的

他们都是8英寸的

我们现在指的是12英寸的

12英寸的是三百毫米的

是三百毫米的12英寸的

这是代表比较先进的国际

应该说是国际水平的

但是也不是最先进的

我们看看台积电在南京

它的投资方式

自有资金投入

它的动工时间最初在

2015年的年底

投产时间是2018年

它的制成是16纳米的

它是晶圆代加工

第二个是台联电它在厦门

通过参股与厦门官方携手

它是2015年3月26号破土动工的

到2016年底小量的生产

先切入50到40纳米

28纳米也会在规划当中

它产能是5万片

它也是晶圆代加工

第三个是力晶

它这是在合肥通过参股

与台湾官方携手

2015年10月20日

最快是2017年年底开始量产

那么它是150纳米110纳米

与90纳米的这种

它的月产四万片

它主要为谁 因为为这个合肥

它很多平板显示器的这个厂家嘛

液晶显示器的驱动IC

SI CIS的影像驱动器

还有的话传感器的这个传感晶片

等等

这是台湾地区的厂家

跟大陆合作

我刚才讲的

这个IBM英特尔

我刚才讲英特尔在大连

我们这个中芯国际

这都是8英寸的

应该说不是 世界上的

最高水平的集成电路的厂家

那么这一张图讲的是2013年

全球IT制造商

半导体需求规模的排名

也是前十名

你们看看这个半导体厂家

就是他们晶圆厂家

生产出来的半导体

供给谁生产出来的器件

当然他们封装以后了

供给谁 你看 苹果三星

惠普联想戴尔思科 索尼华为

松下 东芝

我们的用户我们的用户

已经提到了议事日程了

比方说联想 华为

那么思科这都是我们国内的企业

我们的用量是越来越增加

但是的话我们器件

那么IC器件我们

并不在我们手里面

所以这个问题就非常大

目前我们集成电路

外购量的这个是多少呢

是2千亿人民币

注意是2千亿人民币

这个量很大

大到什么程度呢

已经超过了石油

已经超过了平板显示器

成为我们进口量最大的一个商品

大量的需要进口

我们看看这个形势就很严峻

我们集成电路的

器件或者元件

大量的需要进口

我们国内的话并没有这些

很上档次的集成电路的厂家

在建的都是合资的

都是技术 关键技术都是人家的

特别是好多我刚才讲的

那个台湾的企业

台积电 台联电 力晶

都在我们这建厂

所以集成电路行业

对我们业界无论是

集成电路的厂家也好

特别是我们搞材料的人也好

我们搞材料的这个落后程度

比集成电路工艺更甚之

因此的话需要我们

各行各业的力量来投入

技术力量企业工业的力量

投入这个

那么创新对于我们来讲

是刻不容缓的

是刻不容缓的

这一张图就表现2013年

全球十大多晶硅企业

它的产能和产量

我们看看全世界的

产能和产量的话

是几十万吨的样子

注意 这里边的话

有集成电路所需要的

也有什么呢

也有太阳能电池

太阳电池所需要的

我们看看这些厂家

我们应该了解这些情况

第一产能最大的

是江苏中能

第二个是Wacker

第三个是OCI

第四个是这个Hemlock

第五是REC

下边是新特能源

是德山曹达

下边是这个SunEdison

新疆大全 神舟硅业

这里边像Wacker

世界上著名的是德国公司

OCI是韩国

Hemlock是美国 REC也是美国

我们中国的这些企业

逐渐的往上走了

那现在比方说江苏中能

新特能源 新疆大全神舟硅业

等等分别加入到这里边去

现在的问题是什么

现在的问题是迫切需要提高质量

提高质量

因为我们现在这些国内的多晶硅

生产的多晶硅绝大部分

绝大部分都用来怎么

制作太阳能电池

真正的介入到集成电路主流的

很少

我们生产的集成电路

我们生产的多晶硅

大部分用于什么呢

用于太阳能电池

再有一部分用在哪呢

用在分立器件

用在小容量的存储器

用在一些功率器件

进入不了人家这个主流

进入不了主流

现在主流是什么

12英寸吧 你起码是

百纳米以下嘛

根本进入不到这个主流

因此的话是迫切需要

材料和工艺的

提高这个材料和工艺的水平