采用的-第1章微电子学概论

微电子学概论

了解微电子学发展历史及在科学技术、国民经济、国家安全的重要战略作用。对微电子技术发展过程中的一些基本规律、发展前景的展望和进行预测；对充分反映微电子技术领域的最新成果、体现前沿性和时代性等进行了解。在半导体物理基础上，对半导体器件基础、大规模集成电路基础、集成电路制造工艺、集成电路设计技术及集成电路CAD技术等做基本的讨论。初步掌握微电子领域研究的基本内容。

教学目的

课程内容及学时安排2学分32学时第一章概论

（多媒体）

3学时第二章集成器件物理基础（部分多媒体）

12学时第三章集成电路制造工艺

（多媒体）7学时第四章集成电路设计（多媒体）

4学时第五章微电子系统设计

（多媒体）2学时第六章集成电路CAD技术（计算机辅助设计)

4

学时考试方式：闭卷；

成绩评定：平时成绩30%，期末考试成绩70%。教材Textbook

《微电子概论》

郝跃、贾新章、吴玉广编著

普通高等教育“十五”国家级规划教材

高等教育出版社

2003.12部分参考书籍半导体物理学刘恩科朱秉升罗晋生国防工业出版社高等学校工科电子类规划教材张兴，黄如，刘晓彦《微电子学概论》北京大学出版社

2000年第一版涵盖了半导体物理和器件物理基础知识，集成电路基础知识、设计、制造、最新技术以及发展趋势，内容系统全面.谢君堂，曲秀杰等著《微电子技术应用基础》

北京理工大学出版社

2006年

第一版曹培栋，亢宝位著

《微电子技术基础》

电子工业出版社

2001年第一版双极、场效应用晶体管原理高等学校电子信息类规划教材、全国电子信息类专业“九五”部级重点教材。

部分参考书籍

《半导体制造基础》

GaryS.M.,SimonM.S.施敏著代永平译2007年

《半导体器件物理基础》

曾树荣著北京大学出版社

2002年第一版

贾新章著《电子电路CAD

技术》

西安电子科技大学出版社

2000年第一版

Mi.smith【美】著虞惠华汤庭鳌等译《专用集成电路设计技术基础》

电子工业出版社

朱正涌著

清华大学出版社2001

概论

第一章微电子技术与集成电路的发展历程微电子技术与半导体集成电路

集成电路的分类

集成电路的制造特点

主要内容能源材料信息信息科学-信息的存储和传输依赖微电子技术和集成电路各种信息产品的基础就是微电子微电子技术和集成电路带动了一些列的高科技产业发展21世纪社会发展的三大支柱产业微电子科学是最典型的高新技术，虽然只有短短50多年的发展历史，但是它已经发展成为整个信息科学技术和产业的基础和核心，同时它又是发展极其迅速的一门技术。§1.1微电子技术与集成电路的发展历程微电子技术和集成电路改变了社会生产方式和生活方式。甚至影响了世界经济和政治格局。计算机的发展历程就是最生动的例证！！！

单位质量钢筋对GDP的贡献率为1

汽车为5计算机为1000

彩电为30集成电路为2000电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高微电子对国民经济的贡献经济数据表明：GDP增长100元，需要10元左右电子工业增加值做支撑，其中就包括2-3元的集成电路产品。集成电路1年份集成电路块数(亿块)销售额（亿、人民币）百分比1999411000.8%200536010002%201070025004%国际上把VLSI技术称为“掌握世界的钥匙”，其规模和技术是衡量一个国家综合实力的标志。日本经济学家：谁控制了超大规模集成电路技术谁就控制了世界产业。英国人：如果哪个国家不掌握半导体技术，哪个国家就会立刻加入不发达国家行列。除了自身对国民经济的巨大贡献之外采用交流传动改造后，电力机车可节电20%-30%

内燃机车可节油12%-14%全国一半以上中等城市的自来水公司，在管网自动检测和生产调度中使用计算机控制，可使自来水流失率降低50%人类社会的发展历程

石器时代青铜器时代铁器时代

硅器时代硅材料(主要)宽禁带半导体材料(GaAs)

研究的热点自1968年开始，硅技术为代表的信息技术领域的学术论文超过了以钢铁技术为代表的机械领域的学术论文11个国家集成电路人才培养基地

微电子学-信息科学的基础

研究在固体（半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支，研究芯片级微电路系统的科学。研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并实现信号处理。目的：实现电路和系统的集成。(集成电路)(集成系统)综合性学科：半导体，集成工艺，电路设计等，涉及物理、化学、材料、电子、信号处理等发展方向：高集成度、低功耗、高性能、高可靠性一.微电子技术与半导体集成电路微电子学微型电子电路原理

微电子技术微型电子电路技术

微电子技术利用微细加工技术，在半导体材料上实现微小型固体电子器件和集成电路的技术。基础：基于固体物理、器件物理和电子学理论和方法。核心：半导体集成电路及其相关技术集成电路：利用半导体工艺元件(电阻、电容、电感)和器件(晶体管、传感器)在同一块半导体制造完成，互联在一起，形成完整的有独立功能的电路或系统。晶体管是在实际需求牵引和理论推动的共同作用下发明的物理学家发现了同晶体管有关的半导体的三个物理效应1873年，英国施密斯(W.Smith)晶体硒在光照射下电阻变小光电导效应1877年，英国亚当斯(W.G.Admas)晶体硒和金属接触在光照射下产生电动势，半导体光生伏特效应1906年，美国皮尔逊(G.W.Pierce)金属与硅晶体接触产生整流作用，半导体整流效应能带理论，晶体生长和掺杂技术，为研究半导体提供了保证。

在实际应用方面雷达的出现使高频探测成为一个重要问题，电子管不仅无法满足这一要求，而且在使用中极其不便和不可靠。体积大，功耗大，寿命短。晶体管的研究非常重要从理论，技术，应用等方面，为晶体管的发明奠定了基础20世纪初，电子管飞速发展。电子管，是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

寻找物理或化学方法控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质从物理本质上构造材料，人工调控性能，建立材料结构和性能之间的关系1932年,获加利福尼亚理工学院学士学位，1936年,获麻省理工学院博士学位。1936年,在贝尔电话实验室、美国海军反潜作战研究组任职。1945年,任贝尔实验室固体物理学研究组组长。

1947年,发明点接触晶体管，后贝尔电话实验室申请专利。1949年，提出结型晶体管理论

。1950年，贝尔实验室制出结型晶体管。1956年，与巴丁、布喇坦获诺贝尔物理学奖。

1910～

肖克莱美国物理学家

1956年获诺贝尔物理奖

威廉姆·

肖克莱

W.B.

Shockley

1928年，威斯康新大学麦迪逊分校电机工程系获学士学位，1929年，获硕士学位，毕业后留校担任电机工程研究助理。1930年，在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场等研究。1933年，在普林斯顿大学的魏德曼指导下研究固体物理学。1935年，任哈佛大学研究员；1936年，获普林斯顿大学博士学位。1941年，在华盛顿海军军械实验室工作；1945年，贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属导电机制、半导体表面性能等问题。1947年，和布拉顿发明点接触半导体三极管；1956年，获诺贝尔物理学奖。1957年，和库珀、施里弗共同创立了BCS理论，对超导电性做出合理的解释。1972年，再次获得诺贝尔物理学奖。第一位也是目前为止唯一两次获诺贝尔物理学奖的人。

1908~1991

约翰·巴丁JohnBardeen

美国物理学家1956年,1972年两次获诺贝尔物理学奖约翰·巴丁JohnBardeenW.H.Brattain

布喇顿

1902—1987WalterBrattain

布拉坦

美国实验物理学家

1956年获诺贝尔物理学奖1902年，出生于中国厦门。1920年，进威尔曼学院；1929年，获明尼苏达大学物理学博士学位，同年进入贝尔电话实验室。1931年，开始致力于半导体研究，希望能用固体器件代替真空管。1942年，在哥伦比亚大学作战研究组工作。1944年，回到贝尔电话实验室；实验物理学家1947年，和巴丁发明了点接触半导体三极管；1956年，获诺贝尔物理学奖。标志着电子技术从电子管时代进入到晶体管时代迈开了第一步！！！两个n型层中间夹一p型层作为放大结构，面结型晶体管具有实用的价值“可以想象，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备可以在固体上实现，而不需要外部的连接线。这块电路可以由绝缘层、导体、整流放大作用的半导体等材料组成”晶体管发明后约5年第一块混合集成电路（只有12个元件）从此，微电子技术正式进入了集成电路(IC)时代锗衬底上，石蜡保护，通过选择腐蚀得到互不连通的小岛，在每个小岛上制作一个晶体管，器件之间互联采用引线焊接方法集成电路的迅速发展，除了物理原理之外，还得益于新工艺的发明1950年，美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺1956年，美国人富勒发明的扩散工艺1960年，卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺1970年，斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺这些关键工艺为晶体管从点接触结构向平面型结构过渡并使其集成化提供了基本的技术支持集成电路(IntegratedCircuit,简称IC)

通过一些列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片(Si或GaAs)或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。1923年，生于密苏里州，在伊利诺伊大学获得电气工程学士后，在威斯康星大学获电气工程硕士学位。1947年，在全球联合公司中心实验室工作；1952年，到贝尔实验室参加晶体管制造技术学习。1957年，美国空军制定分子电子学，陆军和海军考虑薄膜电路技术，开始承担电路器件小型化研究。1958年，在美国得克萨斯仪器公司8月28日发明了第一块集成电路（锗单晶）。1959年，1月申请专利，3月公开宣布发明集成电路，五年后获专利权。2000年，获诺贝尔物理学奖。J.S.基尔比

——

集成电路之父1923～2005JackS.Kilby

杰克.

基尔比美国物理学家

2000年获诺贝尔物理学奖

使晶体管的线宽尽可能小，确保各种半导体器件和电路间紧密编织至最小空间里。在头发丝（发丝直径：70~100微米）直径大小的硅片上：

线宽10um:2.3千个晶体管；线宽1.5um:27万个晶体管；线宽0.13um：430万个以上晶体管。

计算机中的中央处理器（CPU）：超大规模集成电路，有几十万到几千万个晶体管。2.

微电子技术中最关键的技术主要特征：集成电路制造尺寸，以微米甚至纳米来计量。电子器件和电路微小型化，适于大规模生产、成本低、可靠性高。随着超精微加工技术的提高，集成度已超过每个芯片含数千万个元件。3.

集成电路技术是微电子技术的核心

集成度不断提高小特征尺寸和大圆片技术不断适应发展需要半导体产品的高性能化和多样化微电子技术发展的多功能化化合物和宽禁带半导体的新发展集成电路发展特点集成度不断提高集成度：每个芯片上集成的晶体管和元件的数目集成电路的发展基本按照摩尔(Moore)定律每隔3年，特征尺寸缩小30%,集成度提高4倍crammingmorecomponentsontointegratedcircuits“摩尔定律”的预言成为以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。虽然摩尔定律不是一个物理意义上的定律，但是集成电路行业中的学者、研发人员和工程技术人员已经自觉、不自觉成为这个定律的忠实执行者。

G.E.

摩尔

Intel公司创始人之一

集成电路的复杂度与摩尔定律1965年，摩尔提出：集成电路的复杂度按每三年特征尺寸缩小0.7倍、集成度翻两番的指数规律。103106109

毫无疑问，在过去的四十年里，摩尔定律成为了科技进步速度的推动力。然而传统的光刻技术正在日益成为半导体制造工艺的颈，在从0.18微米到0.13微米的工艺转换过程中各大厂商都碰到了很多困难（如现阶段CPU制造过程中晶体管本身存在的漏电问题），而最新的90nm制造工艺也迟迟无法投入量产。

Moore定律再一次面临严峻的挑战，如果没有技术突破，这一领导行业40多年的经验公式将不再有效。不过不用担心，新的工艺、新的器件结构、纳米电子学为半导体工业带来了曙光！

摩尔定律被誉为：

“定义个人电脑和互联网科技发展轨迹的金律”。在过去数十年里展现出惊人的准确性：不仅仅是微处理器，还包括内存、硬盘、图形加速卡——PC

的主要功能元件几乎都是遵循着摩尔定律所“设计”的路线而不断“进化”和演变。多年来，英特尔公司持续开展硅技术和制程创新，以切实的技术实践一次次验证了摩尔定律。自个人电脑诞生至今，晶体管密度一再增加，提升了处理器与周边硬件的性能及性价比，催生出规模达上万亿美元的电子工业，使个人计算和通信走向全球。

Intel公司第一代CPU—4004

电路规模：

2300个晶体管

生产工艺：

10um;

最快速度：

108KHz1970年Intel公司CPU—386TM

电路规模：275,000个晶体管;

生产工艺：

1.5um;

最快速度：

33MHz

1985年Intel公司新一代CPU—Pentium®4

电路规模4200多万个晶体管；

生产工艺

0.13um

最快速度

2.4GHz2000年

奔4芯片70年代：Kb(千)10380年代：Mb(兆)10690年代：Gb(京)109预计：21世纪30年代：Tb(太)1012存储器的集成度缩小器件的特征尺寸(芯片)，增大硅片面积(晶片)。集成电路的制造技术已经从：微米亚微米(小于1µm)

超深亚微米（小于0.18µm

），

0.15µm和0.13µm的大生产技术也已经完成开发特征尺寸为0.07µm

已经真正实现了纳米产业。单晶片的尺寸已经从原来的1.8英寸(45mm）发展到今天的8英寸~12英寸(150~300mm)。

小特征尺寸和大圆片技术

集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线

历史回顾1904年,弗莱明发明第一只真空管电子二极管，标志世界进入电子时代；1907年,德福雷斯特向美国专利局申报真空三极管专利，使电子管成为实用器件；1947年,贝尔实验室的肖克莱发明点接触晶体管，标志晶体管时代到来；1958年,J.S.基尔比发明了第一块数字集成电路，宣布电子工业进入集成电路时代；1965年,戈登.摩尔给出摩尔定律。集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征

主要特征SSI1964年MSI1966年LSI1971年VLSI1980年ULSI1990年GSL

2000年

元件数（片）<102

102-103103-105105-107107-109

>109

特征线宽

μm5-103-51-3<10.3-0.50.12-0.18氧化层厚度

nm

>120

>100

>40

>1510-15

<10

结深

μm

>

21.2-20.5-1.20.2-0.50.1-0.2

<

0.1

硅片直径

inch(mm)

1.8

45

2-3

50-75

4-5100-125

61508>15012

300

半导体产品的高性能化和多样化性能表现在容量、集成度和速度性能的迅速提高功耗和工作电压性能的明显改善

表3.

集成电路技术发展趋势化合物和宽禁带半导体的新发展化合物半导体器件目前主要还是以砷化镓为主流，但远不如硅器件成熟，市场较小。但某些特性可实现的功能是硅器件无法完成的。所以其重要作用十分突出，如在超高速、微波和毫米波等领域发展迅速，圆片直径已完全进入100mm向150mm

发展，设计线宽正向0.1µm发展。宽禁带半导体碳化硅(Eg=2.33ev),氮化镓(Eg=3.45ev),氮化铝(Eg=6.2ev）等新一代宽禁带半导体，近几年发展突飞猛进。碳化硅、氮化镓已从材料研究进入器件研究。特别是氮化镓在高温、高频、光电等方面更有独特的发展潜力,所以被称为是第三代半导体新技术。工业控制和机电一体化专用IC通信用IC集成传感器IC智能仪器仪表专用IC家电专用IC单片集成电路是独立实现单元电路功能，不需外接元器件的集成电路。所有电子元器件在同一半导体上制作要实现单片集成，需要解决一些不易微小型化的电阻、电容元件和功率器件的集成，以及各元件在电路性能上互相隔离的问题。

网络技术与多媒体技术的飞速发展，传统芯片在速度和功能上已无法满足需要，实现单片上多功能化势在必行。在10mm2的芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108～109元器件/片，将使IC、IC应用进入新时代。除了提高速度性能外，实现单片上多功能化是趋势。多媒体芯片与系统集成芯片（SoC）的出现正是重要途径。SoC被称为未来芯片的主流,。发展的方向具有较强的声音、图像、通信处理能力的新型多媒体芯片。系统集成芯片(单片系统)

SoC

SystemonChip§1.2集成电路的分类

集成电路是由元、器件组成。无源元件：电阻、电容、电感、互连线、传输线等。有源器件：各类晶体管，双极型、场效应晶体管。

集成电路分类：一．

集成电路的分类按器件结构类型分类

按集成电路规模分类按使用基片材料分类按电路功能分类按应用领域分类小规模中规模大规模超大规模特大规模巨大规模P型MOSN型MOS

互补型MOS双极MOS双极互补MOS电子元件在同一半导体半导体元件和芯片数字信号处理的电路对模拟信号放大，转换同时处理模拟和信号的电路

厚膜混合IC薄膜混合IC

TTLECL等P-MOS

N-MOSC-MOS

BiMOS

BiCMOS

混合IC双极型MOS型BiCMOS

单片IC

或半导体IC二.

按电路结构分类

分为两类采用外延生长、氧化、光刻、扩散等技术，将多个晶体管、电阻、电容等元件以及它们之间的连线做在一块半导体基片上所构成的电路。半导体集成电路

硅半导体集成电路、化合物半导体集成电路硅集成电路仍然是主流，化合物集成电路主要是砷化镓。1.

半导体集成电路（单片集成电路

Monolithic）2.

混合集成电路是指将多个半导体集成电路芯片或半导体集成电路芯片与各种分立元器件通过一定的工艺进行二次集成，构成一个完整的、更复杂的功能器件。通常也叫二次集成包括：无源元件(电阻，电容，电感)、半导体芯片、带有互联金属化层的绝缘基板制造工艺厚膜IC:厚度>1µm的膜，制备厚膜电阻、电容和绝缘层以及互联线。采用各种浆料(Ag2O-Ag电阻浆料、Au或Cu浆料。隔离介质的玻璃浆料)。浆料通过丝网印刷技术涂敷到玻璃或陶瓷基板上，形成电阻或互联线图形。再与同基片上的器件或单片集成电路组装。薄膜IC

：厚度

<1µm的膜，采用真空蒸发、溅射技术在硅片或玻璃基片制备薄膜电阻、电容等再与同基片上的器件或单片集成电路组装。2.

混合集成电路

三.按电路功能分类

模拟IC

或线性电路

数字IC或时序逻辑电路

混合信号IC或数、模混合电路对模拟信号(连续变化信号)进行放大，转换，调整运算等功能的集成电路放大器模拟乘法器模拟开关采用二进制进行数字计算和逻辑函数运算的集成电路处理器微控制器存储器

同时处理模拟和数字两种信号

A/D转换器

D/A转换器

小规模IC

（SSI）：10～100个元、器件／片;

如各种逻辑门电路、集成触发器。

中规模IC

（MSI）：100～1000个元、器件／片;

如译码器、编码器、寄存器、计数器。

大规模IC

（LSI）：1000～105个元器件／片，如中央处理器，存储器。

超大规模IC

（VLSI）：105个元器件以上／片，CPU含有元件310万～330万个。四.按电路规模（集成度）分类特大规模IC

（ULSI）：元器件数

107~109／片巨大规模IC

（

GSI）：元器