微电子技术绪论

1、1.1 微电子技术(jsh)发展历程共三十七页定义1：微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用它们(t men)实现电子系统功能的技术领域。在这个领域中最主要的就是集成电路技术。 空间(kngjin)尺度以微米为单位（m）共三十七页集成电路是指以半导体晶体材料为基片,采用(ciyng)专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微型化电路或系统。 定义2：微电子技术一般是指在半导体硅晶体片上通过精细微加工工艺（包括光刻、刻蚀、氧化、扩散、掺杂、封装等工艺）制作具有一定电路(dinl)功能的集成电路（IC）共三十七页微电子技术的重要性：自1998年来(ni

2、nli)，半导体工业是世界上发展最快的工业（电脑）集成电路技术是实现此工业的基础集成电路(jchng-dinl)已成为当代各行各业智能工作的基石共三十七页集成电路在发达国家的发展过程中还存在一条规律，即电子(dinz)工业增长速率一般GNP增长速率的3倍，而集成电路工业增长速率又是电子(dinz)工业的2倍。微电子技术的最重要的应用领域就是(jish)计算机技术领域 。运算器、控制器、存储器到输入、输出设备，都是微电子技术的结晶。共三十七页 1. 1905-1947: 电子管时代(shdi)Vacuum Tube 2. 1948-1959: 晶体管时代 3. 1959后： 集成电路时代开始微电

3、子发展(fzhn)的历史:共三十七页 1906年 德福雷斯特第一只三极管 1920-1939年 无线电电视,广播,接收 1925年 场效应晶体管的提出(t ch) 1940-1947年 雷达电子计算机1 . 1905-1947: 电子管时代(shdi)电子管：一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。共三十七页场效应晶体管里连.费尔德 (1882-1963)：德国人，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专利。1935年, Osk

4、ar Heil描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构. 然而，由于材料的困难实际制备(zhbi)晶体管在1960年以前是不可能的。 共三十七页2. 1948-1959: 晶体管时代(shdi)1947 年点接触型晶体管1950 年面结型硅晶体管1953 年半导体材料区域提纯(tchn)1958 年第一块集成电路 德克萨斯仪器公司(TI) - Ge IC 仙童公司(Fairchild) - Si IC1960年MOS场效应管晶体管:一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能. 共三十七页1947年晶体管的发明开创了一个新纪元，上世纪(shj)最伟大的发明。1

5、956年威廉.肖克莱、约翰.巴丁、沃尔特.布拉顿获得诺贝尔物理学奖。威廉.肖克莱晶体管之父共三十七页1947年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一“点”接触，故称之为“点接触晶体管”。这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作(zhzu)困难等缺点。第一个晶体管的诞生(dnshng)共三十七页肖克莱在点接触晶体管发明后，提出了可以利用两个p型层中间夹一n型层作为(z

6、uwi)半导体放大结构的构想。并与M.Sparks 和G. K.Teal一起发明了单晶锗PNP结型晶体管。共三十七页1958 年， 德州仪器公司（TI）的基尔比研制出了世界上第一块集成电路。该电路是在锗衬底上制作的相移振荡器和触发器，共有12个器件。器件之间是介质隔离，器件间互连线采用的是引线焊接(hnji)方法。共三十七页 瑞典皇家科学院将2000年诺贝尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡A.F.Ioffe物理(wl)技术研究所的阿尔弗洛夫博士,美国加州大学圣巴巴拉分校的克罗默教授美国TI公司的基尔比教授。共三十七页集成电路（Integrated Circuit IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将

7、二极管、三极管等多个晶体管的有源器件和电阻、电容等无源器件，按一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割的整体(zhngt)执行某一特定功能的电路组件。VLSI = Very Large Scale Integration小规模SSI 100个晶体管中规模(gum)MSI 100-1000个晶体管大规模LSI 1000-100000个晶体管超大规模VLSI 100000个晶体管3. 1959年后开始了集成电路的时代共三十七页 1971年Intel公司推出的微处理器芯片(xn pin)上只有2300个晶体管 1982年intel 80286 微处理器上有13万4千个晶体

8、管共三十七页1 器件结构类型2 集成度3 使用(shyng)的基片材料4 电路的功能5 应用领域二 集成电路的分类(fn li)级发展特点 集成电路的分类共三十七页1 按器件(qjin)结构类型分类(1 ) 双极集成电路(jchng-dinl)：主要由双极型晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路(2) 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路： 主要由MOS晶体管(单极型晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)(3) 双极-MOS(BiMOS)集成电路： 是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综合了 双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。共三十七页集成度：每块集成电

9、路芯片(xn pin)中包含的元器件数目类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 2.按集成度分类(fn li)共三十七页(1) 单片集成电路 是指电路中所有的元器件都制作在同一块半 导体(dot)基片上的集成电路。(2) 混合集成电路 厚膜集成电路 薄膜集成电路3. 按使用(shyng)的基片材料分类共三十七页(1) 数字集成电路(Digital IC) 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式 进行数字计算和逻辑函数运算(yn sun)的一类集成电路。(2) 模拟集成电路(Analog IC) 是指处理模拟信号(

10、连续变化的信号)的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路。(3) 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。3. 按电路的功能(gngnng)分类共三十七页(1)标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。(2) 专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门(zhunmn)设计的集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。4.按应用领域分类(fn li)共三十七页集成电路(jchng-d

11、inl)的发展 1 从SSI到ULSI ( Moore 规律 小型化) 2 从简单逻辑到复杂(fz)系统 3 微机电系统( MEMS)共三十七页硅集成电路四年（或三到四年）为一代;集成度翻两番;工艺(gngy)线宽约缩小30%;芯片面积约增1.5倍;IC工作速度提高1.5倍. Moore 定律(dngl):共三十七页 发展阶段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度(nm)1

12、20-100100-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-0.20.2-0.1芯片面积(mm2)150IC在各个发展阶段(jidun)的主要特征数据共三十七页在过去的50年，价格下降了1亿倍，尺寸(ch cun)减少10亿倍共三十七页微机电(jdin)系统 (MEMS)微电子技术与微机械加工技术相结合的产物。它将信息获取(huq)、信息处理及执行、电源等部件集成在一起。共三十七页 随着集成电路技术的不断发展，当前微电子技术已进入集成系统芯片（System on Chip, SOC）的时代，即将整个系统或子系统集成在一个硅芯片上，今后，更可以将各种物理(wl)的、化

13、学的和生物的传感器（信息获取器件）和信息处理、存储、运算和执行的系统集成在一起，形成一个更为广义的集成系统芯片。共三十七页中国的半导体企业 我国的晶体管,集成电路的发展起始于50年代中期.1956年第一只Ge合金晶体管诞生1965年第一片集成电路制成 由于历史的原因,现在我们已落后于世界先进(xinjn)水平。目前,约有60家单位从事半导体的研究、设计和制造。 共三十七页我国芯片(xn pin)厂目前分为四类： 国营 中外合资 外商独资国内目前大规模生产的最高技术水平为0.25m，大于1m的产品占总产出的62%，北京八大处新区正在建0 .09m的芯片厂。任重而道远共三十七页三 半导体VLSI工艺流程(n y li chn)概述CMOS PROCESS共三十七页主要包括设计(shj)和制造两部分共三十七页共三十七页共三十七页共三十七页直拉法（Czochralski法）单晶生长晶体(jngt)主流生长技术单晶硅生长的材料：电子级多晶硅，纯度99.999999999 半导体衬底制备(zhbi)(硅晶圆)共三十七页内容摘要1.1 微电子技术发展历程。定义1：微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用它们实现电子系统功能的技术领域。集成电路是指以半导体晶体材料为基片,采用专门的工艺技术将组成电路的元