微电子学概论

25三月2024微电子学概论参考书《微电子学概论》张兴，黄如，刘晓彦北京大学出版社，2000年1月《半导体器件物理与工艺》施敏科学出版社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发展历史、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技术等基本概念，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发展的规律和趋势

4第一章微电子学发展史科学技术作为革命的力量，推动着社会向前发展。当前，我们正经历着一场新的技术革命，虽然第三次技术革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技术和电子信息技术等等，但影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的乃是以微电子技术为核心的电子信息技术。5第一章微电子学发展史微电子技术发展的理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学。这期间的重要发现包括1895年德国科学家伦琴发现的X射线、1896年贝克勒尔发现放射性、1897年英国科学家汤姆逊发现电子、1898年居里夫人发现镭、1900年普朗克建立量子论、1905和1915年爱因斯坦提出的狭义相对论和广义相对论等。6第一章微电子学发展史正是这一系列的发明和发现揭示了微观物理世界的基本规律，导致了海森伯、薛定格等建立起量子力学的理论体系，为现代电子信息技术革命奠定了理论基础。7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，它们的基础都是微电子。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81.1

晶体管的发明1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的电阻率随温度升高而增加。之后一些物理学家又先后发现了同晶体管有关的半导体的三个物理效应，即晶体硒在光照射下电阻变小的光电导效应、晶体硒和金属接触在光照射下产生电动势的半导体光生伏特效应和金属与硅单晶接触产生整流作用的半导体整流效应。91.1

晶体管的发明1946年1月，Bell实验室成立了固体物理研究小组。在系统的研究过程中，该小组成功提出了表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过无数次实验，第一个点接触型晶体管终于在1947年12月诞生。101.1

晶体管的发明首先，小组的领导人肖克莱提出了一个假说，认为半导体表面存在一个与表面俘获电荷相等而符号相反的空间电荷层，使半导体表面与内部体区形成一定的电势差，该电势差决定了半导体的整流功能；通过电场改变空间电荷区电荷会导致表面电流的改变，产生了放大作用。111.1

晶体管的发明小组对N和P型硅以及N型锗的表面设计了一个类似光生伏特实验的装置，证实了肖克莱的半导体表面空间电荷假说以及电场效应的预言。之后，小组人员把一片P型硅的表面处理成N型，滴上一滴水使之与表面接触，在水滴中插入一个涂有蜡膜的金属针，在水与硅之间施加8MHz的电压，从硅中流到针尖的电流被改变，从而实现了功率放大。121.1

晶体管的发明经过改进，最后的结构是在一个楔形的绝缘体上蒸金，然后用刀片将楔尖上的金划开一条小缝，即将金分割成间距很小的两个触点，将该楔形体与锗片接触，在锗片表面形成间距约为0.005cm的两个接触点，它们分别作为发射极和集电极，衬底作为基极，其具体结构如图1-1所示。13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141.1

晶体管的发明同年，肖克莱又提出了利用两个P型层中间夹一N型层作为半导体放大结构的设想，并于1950年发明了单晶锗NPN结型晶体管。此后，结型晶体管基本上取代点接触型晶体管。几种不同类型的晶体管151.2集成电路的发展历史集成电路（IntegratedCircuit，缩写为IC）是指通过一系列特定的加工工艺，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（如硅或GaAs等）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。16

硅单晶片与加工好的硅片171958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18封装好的集成电路19集成电路芯片的显微照片20集成电路的内部单元211.2集成电路的发展历史世界上第一块集成电路是在锗衬底上制作的相移振荡和触发器，共有12个器件。器件之间的隔离采用的是介质隔离，即将制作器件的区域用黑蜡保护起来，之后通过选择腐蚀在每个器件周围腐蚀出沟槽，形成多个互不连通的小岛，在每个小岛上制作一个晶体管；器件之间互连线采用的是引线焊接的方法。221.2集成电路的发展历史集成电路的迅速发展，除了物理原理之外还得益于许多新工艺的发明。重大的工艺发明主要包括：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年卢尔发明的外延生长工艺、1970年斯皮勒发明的光刻工艺。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。231.2集成电路的发展历史从此，电子工业进入了IC时代，经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，单个电路芯片集成的元件数从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。早期研制和生产的集成电路都是双极型的。1962年以后又出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS集成电路。241.2集成电路的发展历史实际上，远在1930年，德国科学家Lilienfield就提出了关于MOS场效应晶体管的概念、工作原理以及具体的实施方案，但由于当时材料和工艺水平的限制，直到1960年，Kang和Atalla才研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOS晶体管，从此MOS集成电路得到了迅速发展。251.2集成电路的发展历史由于MOS集成电路具有功耗低、适合于大规模集成等优点，MOS集成电路在整个集成电路领域中占的份额越来越大，已经成为集成电路领域的主流。虽然双极集成电路在总份额中占的比例在减少，但它的绝对份额依然在增加，在一些应用领域中的作用短期内也不会被MOS集成电路替代。261.2集成电路的发展历史在早期的MOS技术中，铝栅P沟MOS晶体管是最主要的技术。60年代后期，多晶硅取代Al成为MOS晶体管的栅材料。70年代中期，利用LOCOS隔离的NMOS（全部N沟MOS晶体管）集成电路开始商业化。由于NMOS器件具有可靠性好、制造成本低等特点，NMOS技术成为70年代MOS技术发展的主要推动力。271.2集成电路的发展历史虽然早在1963年就提出CMOS工艺，并研制成功了CMOS集成电路，但由于工艺技术的限制，直到80年代CMOS才迅速成为超大规模集成（VLSI）电路的主流技术。由于CMOS具有功耗低、可靠性好、集成密度高等特点，目前CMOS已成为集成电路的主流工艺。281.3集成电路的分类集成电路的应用范围广泛，门类繁多，其分类方法也多种多样，其中常见的分类方法主要包括：按器件结构类型、集成电路规模、使用的基片材料、电路功能以及应用领域等进行分类。下面将简要介绍按以上几种常见的分类方法进行分类的结果。291.3.1按器件结构类型分类根据集成电路中有源器件的结构类型和工艺技术可以将集成电路分为三类：（1）双极型集成电路（2）金属-氧化物-半导体（MOS）集成电路（3）双极-MOS（BiMOS）集成电路301.3.1按器件结构类型分类（1）双极集成电路：这种结构的集成电路是半导体集成电路中最早出现的电路形式。这种电路采用的有源器件是双极晶体管，这正是取名为双极集成电路的原因。双极晶体管是由于它的工作机制依赖于电子和空穴两种类型的载流子而得名。311.3.1按器件结构类型分类（2）金属-氧化物-半导体（MOS）集成电路：这种电路中所用的晶体管为MOS晶体管，故取名为MOS集成电路。MOS晶体管是由金属-氧化物-半导体结构组成的场效应晶体管，它主要靠半导体表面电场感应产生的导电沟道工作。321.3.1按器件结构类型分类（3）双极-MOS（BiMOS）集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路。BiMOS集成电路综合了双极和MOS器件两者的优点，但这种电路具有制作工艺复杂的缺点。目前集成电路的主流技术仍然是CMOS技术。33双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高1.3.1按器件结构类型分类341.3.2按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）351.3.2按集成电路规模分类361.3.3按结构形式的分类（1）单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。这是最常见的一种集成电路，在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外，还有GaAs等半导体材料。371.3.3按结构形式的分类（2）混合集成电路：是指将多个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，构成功能器件，该功能器件最后被封装在一个管壳中，作为一个整体使用。在混合集成电路中，主要由片式无源元件、半导体芯片、带有互连金属化层的绝缘基板以及封装管壳组成。381.3.3按结构形式的分类根据制作混合集成电路所采用的工艺，还可以将它分为厚膜和薄膜混合集成电路。在厚膜集成电路中，需要采用厚膜工艺在陶瓷板上制作电阻和互连线。厚膜工艺采用的主要材料是各种浆料，如氧化钯-银等电阻浆料、金或铜等金属浆料以及作为隔离介质的玻璃浆料等。391.3.3按结构形式的分类各种浆料通过丝网印刷的方法涂敷到基板上，形成电阻或互连线图形，图形的形状、尺寸和精度主要由丝网掩膜决定。每次完成浆料印刷后要进行干燥和烧结。薄膜集成电路是指利用薄膜工艺制作电阻、电容元件和金属互连线。它采用的工艺主要有真空蒸发、溅射等，各种薄膜的图形通常采用光刻、腐蚀等工序实现。401.3.4按电路功能分类（1）数字集成电路（DigitalIC）：它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的一类集成电路。由于这些电路都具有某种特定的逻辑功能，因此也称它为逻辑电路。411.3.4按电路功能分类根据它们与输入信号时序的关系，又可以将该类集成电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的输出结果只与当前的输入信号有关，例如反向器、与非门、或非门等都属于组合逻辑电路；后者的输出结果则不仅与当前的输入信号有关，而且还与以前的逻辑状态有关，例如触发器、寄存器、计数器等就属于时序逻辑电路。421.3.4按电路功能分类（2）模拟集成电路（AnalogIC）：它是指处理模拟信号（连续变化的信号）的集成电路。早期的模拟集成电路被称为线性IC，直到后来又出现了振荡器、定时器以及数据转换器等许多非线性集成电路以后，才将这类电路叫做模拟集成电路。431.3.4按电路功能分类模拟集成电路又可以分为线性和非线性集成电路。线性集成电路又叫做放大集成电路，这是因为放大器的输出信号电压波形通常与输入信号的波形相似，只是被放大了许多倍，它们两者之间成线性关系。非线性集成电路则是指输出信号与输入信号成非线性关系的集成电路。441.3.4按电路功能分类（3）数模混合集成电路（Digital–AnalogIC）：既包含数字电路，又包含模拟电路的新型电路称为数模混合集成电路。早期由于集成电路工艺和设计技术的限制，通常采用混合集成电路技术实现这种电路，直到70年代，随着半导体工艺技术的发展，才研制成功单片数模混合集成电路。451.3.4按电路功能分类最先发展起来的数模混合电路是数据转换器，它主要用来连接电子系统中的数字部件和模拟部件，用以实现数字信号和模拟信号的相互转换。因此它可以分为数模（D/A）转换器和模数（A/D）转换器两种。除此之外，数模混合电路还有电压-频率转换器和频率-电压转换器等等。461.3.5集成电路的分类小结集成电路是一种高速发展的技术，各种新型的集成电路层出不穷，这也是集成电路分类方法繁杂多样的一个原因。为了使大家对这一节有一个更清晰的总体认识，我们将前面讨论的几种集成电路分类方法总结成图1-3。471.3.5集成电路的分类小结按结构分类按规模分类按功能分类按应用领域分类集成电路图1-3集成电路的分类481.3.5集成电路的分类小结按结构分类单片集成电路混合集成电路双极型MOS型BiMOS型PMOSNMOSCMOSBiMOSBiCMOS厚膜混合集成电路薄膜混合集成电路491.3.5集成电路的分类小结按功能分类数字电路模拟电路数字模拟混合电路组合逻辑电路时序逻辑电路线性电路非线性电路501.4微电子学的特点微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支