《微电子学概论》课件-Chap01

1

2参考书《微电子学概论》张兴/黄如/刘晓彦北京大学出版社3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4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

授课、成绩评定方法

课堂讲授为主

成绩评定方法

期末考试占60%

平时作业占40%

授课教师:xxx

学习方法注重理解，灵活掌握掌握每堂课的重要知识点加强分析问题、解决问题能力7第一章

绪

论8绪

论什么是微电子学晶体管的发明

集成电路的发展历史集成电路的分类微电子学的特点

信息：客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式

电子学(electronics)：研究信息获取、处理、传输、存储、控制的学科

包括电子电路及系统如何实现电路的功能、性能；如何实现系统功能、性能

11电子学微电子学12微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路分立电路：将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能不依靠外加电源可独立表现其外特性的元件集成电路：IntegratedCircuit(IC)

将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，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

通过一系列特定的加工工艺来集成封装在一个外壳内执行特定电路功能集成电路微电子学研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科

与分立电路相比，集成电路的特点尺寸小集成度高批量生产、成本低

可靠性高…集成电路(集成电路块)芯片：chip，die芯片的尺寸很小集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件数目（或者门的数目）内部电路硅单晶片与加工好的硅片硅片：wafer芯片：chip，die集成电路芯片的显微照片21集成电路的内部单元2264MSDRAM（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23

50

m100

m头发丝粗细

30

m1

m

1

m(晶体管的大小)30~50

m(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24封装好的集成电路25集成电路集成电路的内部电路VddABOut26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27

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——制造业—芯片制造过程

AA75mm,100mm,50mmPast300mm(12’’)(3’’,4’’,2’’)NowPast—制造业—芯片制造过程

AA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InthefutureMaybenopersonisnecessary!33—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AA34封装好的集成电路—封装与测试业—35微电子科学技术的战略地位36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。社会的各个部分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：信息社会发展的基石37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：ENIAC38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：7min39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40

41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42信息技术的领域信息安全信息管理基础：

软件、

微（纳）电子与光电子关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信信息获取信息处理信息传输、交换信息存储信息的随动执行和应用核心和基础：微电子43

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，决定着附加值的高低

决定着在国际经济分工中的地位44如果我们不发展集成电路产业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。所以有人戏称说：“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，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的发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。45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46微电子对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础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47微电子对信息社会的重要性INTERNET基础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...…网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE...…INTERNET服务信息服务:

极其大量的各种信息交易服务:

高可靠、高保密

...…计算服务:“网络就是计算机!”,“计算机成了网络的外部设备!”482020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49微电子科学技术的

发展历史501947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511958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖1959年7月第一块平面单片集成电路：Fairchild公司的Noyce在Si衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，Al互联RobertN.Noyce53微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass——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超过6亿台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是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新54第一个CPU：400455不断提高产品的性能价格比是微电子技术发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发展的规律5657

基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，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。微电子技术发展的ROADMAP5820032001Productionready0.13µmGatewidthSource:IntelMoore’sLaw

…ContinuestoPowertheNet200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35µm0.25µm0.18µm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm596061集成电路技术是近50年来发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FromS.M.SZE62集成电路分类63集成电路分类集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域64按器件结构类型分类双极集成电路：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6566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）6768

基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，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。微电子技术发展的ROADMAP69按结构形式的分类单片集成电路：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等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路70按电路功能分类数字集成电路(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)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等71集成电路的分类72微电子的特点微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(

m,1

m＝10－6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。

微电子学是信息领域的重要基础学科73微电子的特点微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅