《微电子学概论》-B01

微电子学概论张兴北京大学微电子学研究所1参考书：

?微电子学概论?张兴/黄如/刘晓彦北京大学出版社2000年1月2本课程的目的什么是微电子学和微电子学是研究什么的；对微电子学的开展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识；初步掌握半导体物理、半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路设计、集成电路CAD方法、MEMS技术等根本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识。3主要内容微电子技术简介半导体物理和器件物理根底大规模集成电路根底集成电路制造工艺集成电路设计集成电路设计的CAD系统几类重要的特种微电子器件微机电系统微电子技术开展的规律和趋势4绪论什么是微电子学晶体管的创造集成电路的开展历史集成电路的分类微电子学的特点5电子学微电子学6微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路7集成电路：IntegratedCircuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成〞在一块半导体单晶片〔如硅或砷化镓〕上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能8封装好的集成电路9集成电路集成电路的内部电路VddABOut10

硅单晶片与加工好的硅片11集成电路芯片的显微照片1264MSDRAM〔华虹NEC生产〕芯片面积5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管13集成电路的内部单元14沟道长度为0.15微米的晶体管栅长为90纳米的栅图形照片15

50m100m头发丝粗细

30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较16集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求17集成电路的设计过程：

设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架From吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Singoff—设计业—18—制造业—芯片制造过程

由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA19封装好的集成电路—封装与测试业—20微电子科学技术的战略地位21自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个局部通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。微电子：信息社会开展的基石22实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的根底都是微电子1946年第一台计算机：ENIAC23第一台通用电子计算机：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000个电子管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min24实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的根底都是微电子1946年第一台计算机：ENIAC这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量25集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低26集成电路1~2元电子产品10元国民经济产值100元集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链〞关系进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%27据美国半导体协会〔SIA〕预测

电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备6-8万亿元集成电路产值1万亿美元GDP≈50万亿美元2021年28其次，统计数据说明，兴旺国家在开展过程中都有一条规律集成电路〔IC〕产值的增长率〔RIC〕高于电子工业产值的增长率〔REI〕电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率〔RGDP〕一般有一个近似的关系RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP29根据IMFRIC≈1.7REIREI≈3RGNP15%9%3%FromS.M.SZE30世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较〔资料来源：ICE商业部〕

抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长311985-1990年间世界半导体商品市场份额日本公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均IC产值年增长率人均电子工业年增长率人均GNP年增长率日本>美国日本>美国日本>美国2.2%1.1%0.1%80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业开展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的开展，而其根底是集成电路产业与技术创新。两个例子32市场变化—日本市场缩减—市场份额90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。33我国台湾地区60年代后期人均GDP—200-300美元〔1967年为267美元〕70-80年代大力开展集成电路产业90年代IT业高速开展97年人均GDP=13559美元34在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的上下决定着在国际经济分工中的地位35我国IT企业与Intel公司利润的比较同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器〔DSP〕使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。36如果我们不开展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱〞。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。所以有人戏称呼：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯〞的硅谷，产品不可能有竞争力。〞在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的开展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的开展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。37几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)微电子对传统产业的渗透与带动作用38电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧〔Smart〕的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧〞程度和使用程度数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用39没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷40微电子对国家平安与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济根底有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战41微电子对国家平安与国防建设的作用42微电子对信息社会的重要性INTERNET根底设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线...…路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关...…终端设备：PC、NetPC、WebTV...…网络根底软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE...…INTERNET效劳信息效劳:极其大量的各种信息交易效劳:高可靠、高保密...…计算效劳:“网络就是计算机!〞,“计算机成了网络的外部设备!〞432021年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元〔NikkeiBusiness1999〕微电子产业的战略重要性44微电子科学技术的

开展历史45晶体管的创造理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求46晶体管的创造1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了外表态理论，Schokley给出了实现放大器的根本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管471947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖48晶体管的三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿49集成电路的创造1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果501958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖51微电子开展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新52第一个CPU：400453PentiumIIICPU芯片54不断提高产品的性能价格比是微电子技术开展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律微电子开展的规律55基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术开展的动力。在新技术的推动下，集成电路自创造以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍。这就是由Intel公司创始人之一GordonE.Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术开展的ROADMAP56微处理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002021导入期Moore’s

Law成熟期57集成电路技术是近50年来开展最快的技术微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分58结束语59结束语5000400030002000100001000200030004000石器时代~35000年铜器时代~1800年铁器时代~