微电子技术概论1.ppt

1,微电子学概论北京大学,2,参考书,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,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,5,第一章绪论,6,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,7,电子学,微电子学,8,微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路,9,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,10,封装好的集成电路,11,集成电路,集成电路的内部电路,12,硅单晶片与加工好的硅片,13,集成电路芯片的显微照片,14,64MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,15,集成电路的内部单元,16,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,17,50m,100m头发丝粗细,30m,1m1m(晶体管的大小),3050m(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,18,集成电路设计与制造的主要流程框架,19,集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证,设计业,20,制造业,芯片制造过程,AA,21,封装好的集成电路,封装与测试业,22,微电子科学技术的战略地位,23,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,24,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,25,第一台通用电子计算机：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946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：7min,26,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,27,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,28,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%,29,据美国半导体协会（SIA）预测,2012年,30,其次，统计数据表明，发达国家在发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RIC1.52REIREI3RGDP,31,根据IMFRIC1.7REIREI3RGNP,32,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,33,1985-1990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发展的措施，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发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。,两个例子,34,90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。,35,我国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元（1967年为267美元）,70-80年代大力发展集成电路产业,90年代IT业高速发展,97年人均GDP=13559美元,36,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,37,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。,38,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。,39,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,40,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,微电子对传统产业的渗透与带动作用,41,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,42,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,43,微电子对国家安全与国防建设的作用,44,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!”,45,2020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,46,微电子科学技术的发展历史,47,1947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,48,1958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,49,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C.T.SahCMOS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,50,第一个CPU：4004,51,PentiumIIICPU芯片,52,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,53,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ROADMAP,54,微处理器的性能,100G10GGiga100M10MMegaKilo,19701980199020002010,导入期,MooresLaw,成熟期,55,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.SZE,56,集成电路市场和产业结构的发展规律,市场及其发展规律产业格局与结构Foundry建设,57,30多年来，集成电路市场的成长迅速，基本上是一条指数发展规律。,资料来源：WSTS.00/5制图:黄逸平、Mabel,市场及其发展规律,58,同时，集成电路市场又是高度变动的,约十年为一个涨落周期。,59,第一个周期(1975-1984，CAGR=20.4%):电脑和消费类电子;4和5;产值在几百亿美元国防工业、工作站、大型第二个周期(1985-1995，CAGR=20.8%):中小型电脑、PC机；8；产值突破1000亿美元第三个周期(1996-2005，CAGR=15.6%):除PC机外，网络和通讯装备，特别是移动通讯装备;8和12;产值3000亿美元,60,1998-2003年世界及四大市场IC增长率和份额统计/预测表,61,21世纪，要求移动处理信息，随时随地获取信息、处理信息成为把握先机而制胜的武器。如果前20年PC是集成电路发展的驱动器的话，后20年除PC要继续发展外，主要驱动器应该是与Internet结合的可移动（Mobile)、袖珍的（Portable)实时信息处理设备。核心电路是数字信号处理器（DSP-DigitalSignalProcessor),62,产业格局与产业结构,集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。集成电路芯片价格：101102美元生产线的投资：109美元（8”、0.25微米）要想赢利：年产量108集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即市场的需求,63,集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型生产存储器和CPU集成器件制造商(IDMIntegratedDeviceManufactoryCo.),产品主要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工,64,资料来源：Digitimes整理2000/制图：李柏毅、Mabel,前两类厂家，IDM,与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了FablessCo.和Foundry的出现。,IP模块和ChiplessCo.出现,1980,19801990,65,集成电路设计滞后现象,0.01,0.1,1,10,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,微米,芯片复杂度,栅长,58%/年,20%/人年,设计产率,差距增大,10G1G100M10M1M100K10K1K,集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率,66,资料来源：Digitimes整理2000/制图：李柏毅、Mabel,前两类厂家，IDM,与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了FablessCo.和Foundry的出现。,IP模块和ChiplessCo.出现,集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。不同的产业发展阶段，产业结构可以有不同的形式,IP：知识产权(IntellectualProperty),1980,19801990,67,Foundry功能要求,行为级,多工艺模块p、DSP、E2PROM&Flash、A/D、D/A,Wafer级,封装后成品级,逻辑级,版图级,MASK,研究开发支持,Foundry建设,Foundry的建设必须采用系统工程的方法基本特征：,68,随技术进步，建厂费用呈指数增加，这时必然出现两种趋向：各相关公司联合建厂IBM、Infineon与UMC的联合将更多业务交给Foundry，降低成本Motorola已经表示到2001年，将有50%以上的产能需从外部提供日本Kawasaki公司取消他们计划建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作,69,2000年Foundry业务地区分布（SemicoResearchCorp.,2-2000,counrtesyofAmkorWaferFabricationServices）,70,Foundry类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例（资料来源：Dataquest）,因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest：未来属于Foundry,71,我国微电子发展概况,72,我国微电子学的历史,1956年5所学校在北大联合创建半导体专业北京大学、复旦大学、东北人民大学、厦门大学、南京大学1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路,73,我国微电子学的历史,1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业,74,我国年微电子发展展望,我国IC骨干企业地区分布及销售情况,75,我国年微电子发展展望,上海IC产业发展战略目标,到2010年总投资量600亿美元，建成2040条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业,76,我国年微电子发展展望,北京1020条集成电路生产线零地租政府跟进投资天津深圳,77,微电子：电子信息产业的核心和基础我国微电子产业进入高速发展时期,亿元,年,中国集成电路产业的累计投资额数据来源：徐小田,78,未来十年将是我国微电子产业的黄金时期,我国年微电子发展展望,79,北京大学微电子研究院简介,80,50年代，黄昆院士中国第一个半导体专门化,70年代，王阳元院士中国第一块硅栅N沟道1KMOSDRAM,自80年代以来，很大的发展,2001年国家重点学科评审：100分,北京大学中国微电子的起源地和摇篮之一,81,北京大学微电子所概况,北京大学微电子所前身是1956年黄昆院士领导下的我国第一个半导体专门化1978年成立微电子学研究室1986年成立微电子所2002年成立微电子学系/微电子学研究院,82,学位授予权情况学士学位：微电子学硕士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统博士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统博士后流动站：微电子学与固体电子学工程硕士学位：集成电路工程,83,84,北京大学微电子所概况,教师中国科学院院士：1人(王阳元院士)博士生导师：12人教授：15人拥有博士学位人员：36人学生博士研究生：20人/年硕士研究生：45人/年工程硕士：30人本科生：65人/年,85,北大微电子所的研究基地建设,微米纳米加工技术国家级重点实验室微电子新工艺新器件新结构电路国家计委专项实验室北京市软硬件协同设计高科技重点实验室,86,ICP刻蚀机,LPCVD系统,双面光刻/键合系统,87,新工艺新器件结构电路国家专项实验室,88,89,应用开发,关键技术,基础研究,超深亚微米/纳米新器件及集成技术,SOC设计方法学及ASIC设计,MEMS技术,CMOS/SOI新器件深亚微米器件电路EDA技术深亚微米MOS器件失效机制与表征技术GeSi/SiHBT器件,系统芯片中新器件新工艺基础研究亚50纳米器件机理、模型、结构和工艺纳米电子器件物理,SIMOX材料CMOS/SOI电路GeSi/Si分频器,SOC设计方法学基于NP难解问题的器件参数提取,嵌入式微处理器(8、16位)建库技术、IP库建立嵌入式芯片设计技术射频器件和电路,安全保密芯片红外焦平面读出芯片机顶盒芯片,微系统设计方法、建模、数据库和仿真三维加工、材料、封装组装和可靠性研究,传感MEMS器件信息MEMS器件生物MEMS器件,与IC的兼容设计MEMS工艺标准化MEMS封装技术,90,超深亚微米/纳米新器件及集成技术,91,北大微电子所牵头的973项目,系统芯片中新器件新工艺基础研究北京大学清华大学中国科学院微电子中心中国科学院半导体所中国科学院上海微系统与信息技术研究所,92,亚100纳米半导体器件研究(973)新型器件结构新型器件模型、模拟以及模拟软件开发高k介质、金属栅电极新型栅结构器件可靠性新型半导体器件SOI器件GeSi/Si、GeSiC/SiHBT器件FeRAM新型半导体器件工艺模块超微细加工技术超浅结工艺SALICIDE工艺超薄栅介质制备技术,93,84.6nm线条,94,30纳米线条的SEM照片,40纳米线条的SEM照片,95,CMOS/SOI工艺已在多家单位推广应用,CMOS/SOI工艺模块及门阵列电路,96,创建了比例差值算符的新概念，在国际上首先实现了对新生缺陷的在线检测及参数提取开发了小尺寸器件可靠性测试系统BC2931A已用于0.25微米器件寿命的预测,小尺寸MOS器件寿命预测机理及设备,97,亚100纳米MOS器件模拟软件超低能离子注入工艺模拟软件CMOS/SOI电路模拟软件已经销售或推广到多家单位,超深亚微米/纳米器件和电路仿真工具,98,系统集成芯片(SOC)及专用集成电路(ASIC)设计,99,SOC设计方法学软硬件协同设计理论参数提取(973)建库技术IP库(863)嵌入式微处理器核专用集成电路设计信息安全芯片红外焦平面驱动电路,100,嵌入式微处理器,16位可裁剪的RISC微处理器PKUEP指令集与ARM7的THUMB指令集兼容，指令功能齐全、代码密度大的特点三级流水设计0.8微米工艺，71000个晶体管,101,嵌入式微处理器,与ARM7TDMI指令集兼容微处理器PKURS-001与ARM7TDMI的ARM和THUMB指令集全兼容重新设计自主版权的体系结构采用RTL级设计和晶体管级设计相结合的方式面向国内工艺,102,红外焦平面读出电路,第一代：小批量生产第二代：130130，6464两种采用有源阵列，SCA，DO结构全画面30桢/sec，功耗小于30微瓦已通过用户测试第三代：256320，已完成实验电路的设计,103,微机电系统(MEMS)技术,104,MEMSEDA技术建立体硅和表面硅MEMS加工技术四套完整的MEMS工艺工艺标准化多用户系统开发新的MEMS加工技术硅帽封装技术体硅隔离技术三维刻蚀技术开发新型MEMS器件和系统传感MEMS器件：加速度计、陀螺、气体敏感器件信息MEMS器件：RF器件、光开关生物MEMS器件,105,MEMS加工工艺：刻蚀得到的部分图形,106,利用牺牲层工艺得到的谐振器图形,硅/硅键合样品,MEMS加工工艺,107,应用情况多种体硅加速度计横向式体硅陀螺微机械开关微机械可变电容微型气体传感器微机械光开关表面微机械加速度计微流体器件压力传感器提供ANSYS仿真服务,设计完成的MEMS器件,MEMS与IC兼容设计平台,108,微加速度计,单悬臂梁加速度计抗冲击加速度计三维压阻、电容式加速度计抗冲击能力12000g,109,已开发出22光开关阵列表面微加工与体硅微加工相结合，并利用三维刻蚀技术，克服了二者的不足采用扭转结构，不会发生磨损容易扩展到NN开关阵列弹性夹紧结构，易于组装,微机械光开关,110,RFMEMS器件移动通信（手机、程控交换机）器件研究可变电容大的初始电容和电容调节范围-0.164PF高Q值-60利用机械定位结构防止机械噪声和电噪声,MEMS领域,111,工艺和结构简单易控，容易形成阵列可以在高频开关电压下工作20KHz接触电阻小于1欧姆容易实现双稳态结构有实用前景,微继电器,112,集成电路分类,113,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,114,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,115,116,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）,117,118,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ROADMAP,119,按结构形式的分