微电子学概论第一章绪论

1、微电子学概论Introduction to Microelectronics杨红官电子科学与技术系Introduction to Microelectronics第一章绪论 1.1 电子技术的发展与应用简介 1.2 成电路工艺技术的突飞猛进 1.3 成电路设计技术的迅猛发展 1.4 导体电子材料的推陈出新 1.5 电子技术向其他学科的拓展 1.1微电子技术的发展与应用简介第一章绪论A微电子技术是研究电子在半导体器件和集成电路（IC）中的物理现象、物理规律 及其应用的技术，包括材料制备、器件结构、集成工艺、系统与电路设计、测试与封 装、器件与应用、可靠性试验等一系列的基础理论、制造实践和应用技术

2、。微电子技术发车刃于晶体管和集成电路的发明。1947年12月23日，在贝尔实验室里诞生了第一只晶体管一一点接触型错晶体管。 1950年4月，他们又制成了第一个结型晶体管。晶体管的发明，不仅是电子学发展的 一个重要的里程碑，更促进了固体物理学的蓬勃发展。肖克利（W川iam Shockley）、 巴丁 （John Bardeen）和布拉坦（Walter Brattain）因为晶体管的发明于1956年获得 了诺贝尔物理学奖。1959年2月6日，基尔比（J. Kilby）向美国专利局申请了名叫“半导体集成电路” 的专利，它把大约二十几个元件“集成”在一块平板上。此后，集成电路经过了小规模集成电路、中规

3、模集成电路、大规模集成电路、 超大规模集成电路等发展阶段。集成电路的出现不仅促进了电子科学与技术本身的蓬 勃发展，更为重要的是它的应用遍及了社会生产的各个角落，直接导致了由工业社会 向信息社会的进化。1947年发明第一个点接触型晶体管（贝尔实验室）(Reprinted with permission of Lucent Technologies).L W. Brattain 盘点接触晶体管：基片是N型楮，发射极和集电极是两根金属1956年诺贝尔物理奖 丝。这两根金属丝尖端很细，靠得很近地压在基片上。金属丝间的距离：50|im不足之处：可靠性低、噪声大、放大率低等缺点1950年第一只NPN结型晶

4、体管1948年W. Shockley提出结型晶体管概念FIRST INTEGRATED CIRCUIT BY J. S. KILBY (US Patent 3,138,763 filed Feb. 1959, granted 1964)FIRST MONOLITHIC IC BY R. N. NOYCE(US Patent 2,981,877 filed July 1959, granted 1961 )1微电子技术的发展与应用简介J. Kilby-TI2000诺贝尔物理奖半导体Ge, Au线匕%,L.弟一早绪企,美国联邦法院最后从法誉为“提出了适合于修一 人”cX二二二项“同时的发明“ jJ

5、h JFairchild 1.1微电子技术的发展与应用简介第一章绪论第一台计算机：ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer 1946年2月在美国莫尔学院诞生了第一台名为电子数值积分和计算器。18000个电子管占地170平方米重达30吨耗电150千瓦保存80个字节每秒5千次加、减 法运算价值40万美元OOO iJ臼:电子管计算机:晶体管计算机:集成电路计算机:大规模集成电路计算机 ：智能化计算机主攻目标让计算机具有人的听、说、读、写和思维推理能力神经网络计算机生物计算机全光计算机量子计算机著名的摩尔定律(Moores Law)硅集成电

6、路二年(或二到三年)为一代，集成度翻一番，工艺线宽约缩小30%, 芯片面积约增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍。64Gb -0.05jim104 197019801990200020102020YEAR集成电路集成度的爆发式增长单个芯片上已经可以集成10亿 20 亿个晶体管，也可以将一个子系统乃至 整个系统集成在一个芯片上。01_L1-199719992001200320062009时间/年单个芯片上晶体管数目越来越多心片时钟频率越来越高芯片电源电压越来越低时间/年时间，年0- XT旅/掌3199719992001200320062009时间I年单个芯片面积越来越大时间/年名颂颂生如侬见幽0

7、6200布线层数越来越多集成电路的广泛应用蜘领曲啦龈随碘蛔魂逊颈邈）集成电路的广泛应用*进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子 计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得 了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传 输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术 无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、 大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说， 人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。集成电路的广泛应用*集成电路的高速发

8、展源于军、民电子整机系统的高速化、高智能化、小型和 移动化、网络化等广泛应用和需求推动，集成电路的应用在信息社会的今天显得 越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离 不开集成电路。由于集成电路集成度和性价比不断提高，又反过来带动电子整机 系统的快速更新换代。 在民用芯片方面 超高速计算机、高速高性能工作站等要求芯片的高速化。 数字式高清晰度电视、广播、音响、可视电话、彩色摄录像机、游戏机等要 求芯片高速数字化处理。 移动电话、笔记本计算机及局域网、综合业务数据网等要求芯片高集成、低 功耗和功能系统化。 洗衣机、空调器、电冰箱等各类家电智能、节电等要求芯片智能专用和

9、低价 格化。加函如豳限随碘艇&猴频酗集成电路的广泛应用在军用芯片方面 各类指挥、控制、情报、侦察、对抗和信息获取，无论航天、航空、航海、 兵器、电子战等电子信息装备中，提高信息处理速度、频率范围、功率容量是信 息系统的关键。 小型智能化武器装备集成化、系统化、轻量化、微小化已成必然趋势，特别 是以微小武器和微小卫星为代表的新型武器装备，与各种单兵和手持设备一样要 求体积小、重量轻、功耗低。 “太空将成为国际军事竞争、争夺制天权的制高点”。控制空间、利用空间是 未来军事技术的关键。空间武器装备将越来越多、越来越重要，需要大量各类高 可靠抗辐射的集成电路和其他微电子产品。 武器装备信息安全已提到至

10、关重要的地位。特别是在严格控制下自己设计、 制造的保密芯片是获取信息优势、保持经济竞争优势和战争环境下的军事优势的 关键。国家为什么要大力发展集成电路？*社会发展的需要：集成电路是最能体现知识经济特征的典型产品之一。*经济发展的需要：现代经济发展的数据表明，GDP每增长100元，需要10元左 右电子工业产值和12元集成电路产值的支持。2010年，集成电路全行业销售额 将达到1万亿美元，它支持68万亿美元的电子装备和30万亿美元的电子信息服 务业，后者相当于1997年全世界GDP的总和。目前发达国家信息产业产值已占国 民经济总产值的40%60%,国民经济总产值增长部分的65%与集成电路有关。*国

11、家安全的需要：集成电路是信息化的基础，芯片的供应和芯片的安全性问 题。中国集成电路设计公司状况*分布：上海、无锡和杭州三地占40%,北京占26%,深圳为18%,成都/重庆 占5%,西安和武汉分别为4%和3%。*规模：平均每个公司有6个产品系列，44%的公司产品系列在5个以下，20个 以上占10%。*水平：最大设计规模为200万门。数字IC产品的设计水平主要集中在0.25到0.5 微米以及0.5到1.5微米内,分别占34%和29%,小于0.25微米仅占20%；模拟IC中 50%采用0.5到1.5微米，1.5微米以上占42%。 1.2集成电路工艺技术的突飞猛进第一章绪论集成电路工艺技术发展的关键是

12、微细加工技术。目前，LSI加工线条宽度正由微米级（0.5 pn、0.25 pm、0.13 pm）向纳米级（90 nm、65 nm 10nm）过渡。 LSI高度集成化、高性能化，得益于半导体集成微细加工技术与其专用设备不 断地革新和实用化。真可谓“一代设备，一代技术”。工艺（相应设备）工艺（相应设备）湿法刻蚀（Wet Bench）干法刻蚀(Dry Etcher)热扩散(Furnace) 离子注入(Ion Implanter)常压 CVD(APCVD Reactor)- 低压 CVD(LPCVD Reactor)蒸发(Evaporator)溅射(Sputter)接触曝光(Aligner) 步进投影

13、(Stepper)引线键合(Wire Bonding) 凸点倒装(Flip Chip Bonding)半导体制作工艺及其专用设备的变革A不断缩小特征尺寸提高芯片集成度和性价比的有效手段集成电路集成度的提高有两个途径：一是缩小晶体管尺寸；二是增大芯片面积。晶体管尺寸的缩小带来两个优点：第一，使电路速度加快，目前集成电路的时钟频率已高达1GHz以上；第二，使晶体管密度（晶体管数/mn?）增加，集成规模增大,单个晶体管的成本快速下降。器件尺寸/k集成度k2电压/k电流/k传输延迟Mk消耗功率1面速度功耗乘积/k3杂质浓度kMOS晶体管按比例缩小原则300 1997预利2504 250(1997)一

14、2001 校测00 u-w省生0 1995200020052010201520202025实现时间/年180(1999)国际半导体工业协会对DRAM特征尺寸缩小的预测第一章绪论1300mm晶元和Pentium 4芯片12英寸直拉硅单晶（1m多长）照片 1.2集成电路工艺技术的突飞猛进第一章绪论*圆片加工处理过程中， 在圆片上制作单元器件的前 部分和将各单元器件连接起 来的布线后部分合并成为前 工序；将制造出来的LSI芯 片封装、测试成为后工序。圆片制造工程拉单晶-切片研磨圆片外延一一圆片贴合（SOI）圆片圆片处理工程（前工序）单元器件制作工程氧化扩散CVD离子注入干法刻蚀反复操作连接单元器件布

15、线工程CVD干法刻蚀溅射化学机械抛光（CMP）反复操作清洗光刻（涂胶、显影）蜘领曲啦龈随碘蛔魂逊颈邈）探索新的发展空间目前，大生产中的特征尺寸已从深亚微米量级（0.25 Rm0.13即1）进入到纳米量 级（90nm 45 nH1）。硅超大规模集成技术，在器件特征尺寸不断减小，小到纳米尺寸将引起质变。随 着继续缩小晶体管特征尺寸（100 nm）,其物理长度与电子自由程相当时，载流子 的输运将呈现显著的量子力学特性，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和 库仑效应以及非线性光学效应等都会表现得越来越明显。人们在半导体器件物理（如器件输运理论、器件模型、器件结构）、制造工艺（如光刻技术、互联技术

16、、薄膜技术）、电路技术（低电压、低功耗、热耗散）等方 面，针对所面临的各类新问题继续深入研究的同时，在半导体新材料、新结构、新电 路微细加工等方面，又展开了探索，包括量子阱材料、量子线材料和量子点材料等。可是，在市场需求的推动下，在突破集成电路不断缩小加工尺寸的物理极限之前， 微电子集成微细加工技术还有广阔的发展空间。 1.3集成电路设计技术的迅猛发展第一章绪论A制造大规模集成电路，首先进行LSI设计。设计分为系统、回路、掩模板、器 件、工艺等各个层次。自发明集成电路至今40多年以来，从LSI到GLSL从集成电路到系统集成（SoC）, 在经历IC产业多次变革和分工的过程中，集成电路设计技术紧跟

17、其工艺技术高速发展。 Foundry （代工线）and Fabless （无工艺线的集成电路设计公司）集成电路的设计企业的诞生和设计服务模式的变迁，得益于集成电路制造业 （Foundry代工厂）的高速发展。特别是Fabless方式诞生之后，其灵活的经营模式显 示出旺盛的生命力，在IP重用技术和片上系统技术诞生以后，集成电路设计业又呈现 更专业化的分工趋势。 一些公司专门从事IP设计，与代工的Foundry线接口；另一些公司则购买IP产权设 计整机系统，应用IP重用技术，高效完成片上系统集成设计。另外，GaAs MMIC. GaAs超高速集成电路的设计又有其特别之处，电路工作频率 高（1000

18、MHz100000 MHz）,电磁场效应明显，设计复杂性和难度较高。集成电路产业“龙头”LSI设计品开发述）LSI设计流程图在现代LSI设计中，可以最大限 度地使用计算机和设计软件进行高 速模拟，为实现开发LSI产品的功 能和参数要求，进行电路设计和版 图设计。对实际内容反复模拟，多 次检查，最后产生出后续制造工艺 必须的版图数据和测试数据。设计成功地保证先进设计工具集成电路设计技术的迅猛发展与先进的设计工具紧密相关，成功的设计离不开 先进的设计工具，如计算机辅助设计（CAD）、电子设计自动化（EDA）、电子 系统设计自动化（ES-DA）以及用户现场可编程器件等。*第一代：在集成电路发展初期，

19、集成电路设计附属于半导体加工产业，为设计 师提供早期的版图编辑、设计验证和数据转换等手工辅助工具。*第二代：20世纪70年代末80年代初，为设计师提供了方便地原理图编辑、仿真 和物理版图的布图、验证功能。如Applicant、Calma CV为代表的版图编辑，80年 代以Mentor、daisy Valid为代表的CAD系统，从原理图输入、模拟、分析到自动 布图和验证。米第三代：20世纪90年代初，以Cadence、Synopsys Avanti等为代表的ESDA系 统，包括系统级的设计工具。*第四代：目前正在研制的面向深亚微米乃至纳米级工艺技术及固化的IP物理模 块和片上系统设计平台相结合的

20、新一代CAD工具。A设计技术的新革命片上系统（SoC）*从分立元件到集成电路再到片上系统，是微电子领域内的重大变革。随着微电子工艺技术和集成电路设计技术的不断提高，系统设计的复杂性越来 越高，整个板上系统可集成在单一芯片上，即SoC。SoC的出现，正在兼容CPU（微处理器）、MCU （微控制器）、DSP （数字信号处理器）这三种技术特色。 SoC对微电子设计而言是一场革命，传统的集成电路设计技术和设计工具已难 以满足要求，需要有新的变革。SoC是从整个系统的角度出发，把性能要求、系统 算法、芯片结构、软件（嵌入式操作系统）、模块划分、各层次的电路或器件设计 紧密地结合起来，实现从系统行为级开始

21、自顶向下（Top-Down）的、基于平台的 软硬件协同设计。采用深亚微米低功耗工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计及系统验证等是 SoC设计的关键。建造高集成度并具有完整功能可服用的IP模块如CPU、DSP、 BUS总线、DRAM、FLASH等是SoC设计的基础。A面临超深亚微米、纳米电路的设计挑战现在，一些前沿设计，如高速微处理器和高级存储器，已利用130 nm或90 nm 工艺技术实现。这些纳米设计技术能让设计人员创造规模更大和功能更强的集成电 路。但也给设计人员带来了必须解决的问题：功耗、信号完整性、时序问题、设计 流程、设计可靠性、噪声和信号衰减效应等。超深亚微米和纳米出现后，在高密

22、度存储器和SoC设计中发现了越来越多非线 性特征，设计人员需要采用一种与传统观念不同的设计方法，将由物理设计转向将 逻辑设计和物理设计融合在一起的混合模式。EDA工具商也将从逻辑和物理两个 角度综合考虑，开发新的设计SoC芯片的混合工具。 1.4半导体电子材料的推陈出新第一章绪论*半导体材料的进步也是微电子技术及其产业发展的基础。目前，硅上的MOS 器件成为集成电路的主流器件（约占70%以上），从普通二极管、三极管到超大 规模集成电路，从微波功率管到电力电子器件，无一不是硅的天下。由于军事电 子装备对高频器件的要求，开始了对化合物半导体的开发，从皿-V族GaAs、InP 到后来的SiC、GaN

23、等，一直在推陈出新。半导体材料的特性参数半导体材料第一个重要参数是禁带宽度。禁带宽度对半导体材料的许多性质起 着决定性的作用。例如禁带宽度窄的材料，电子很容易从价带激发到导带，对外界 反映灵敏，但同时热稳定性也差。半导体器件最大输出功率正比于半导体材料禁带 宽度的四次方，因此禁带宽度越宽，允许输出的功率也越大。半导体材料第二个重要参数是迁移率。迁移率反映了加同样大小电场时，载流 子漂移速度快慢的程度。半导体材料的载流子迁移率直接决定了器件的最高工作频 率和最高可得到的放大增益。半导体材料第三个重要参数是材料中的饱和速度或峰值速度。由于电子在漂移 的过程中不断地与晶格或其它电子碰撞，电子漂移不可

24、能无限加速，随着电场增加 会达到某个饱和值。有的半导体材料在较低电场作用下会达到一个很高的峰值，然 后又回落到一个较低值，再达到饱和，这种现象称为过冲。饱和速度或峰值速度对 器件的输出功率等性能有重要作用。几种常见材料的饱和电子速度和峰值电子速度半导体材料第四个重要参数是临界击穿电场强度。当半导体材料中电场强度加 大到某个值时，由于电子和晶格之间的碰撞太过强烈，会把原子核周围的电子打飞 出来，产生电离现象。电离了的电子又会使其他原子周围的电子电离，像滚雪球一 样电流越来越大，出现雪崩击穿。击穿时的电场强度称为临界击穿场强。临界击穿 场强高的材料允许加高的电压，有利于大功率输出。几种常见半导体材

25、料的主要特性参数材料GeSiGaAsInPSiC(4H)GaN金刚石禁带宽度”/eV0. 671. 11.431. 353.263. 495. 6电子迁移率从/(cm2/V s)39001500850046007009002200饱和(峰值)电子速度“(xlO7cm/s)1.02. 12.32.02.72.7临界击穿场强/(MV/cm)0.10.30.40.52.03.35.0热导率 A/(W/cm K)1.31. 50.50. 74. 51.720. 0相对介电常数%16. 211.812. 812.5109.05.0元素半导体Ge、Si最初大量使用的半导体材料是楮。1947年第一只晶体管用

26、的就是错。但是错的 禁带宽度为0.67 eV,热稳定性差，最高工作温度只有85。硅具有很多优点，地球上储量丰富，易于提纯，热稳定性好，在表面可生长质 量很高的二氧化硅层，工作温度可达160。硅几乎成了半导体的代名词，全球硅 集成电路年产值在2400亿美元左右。化合物半导体GaAs、InP碑化锡等材料的电子迁移率差不多是硅材料的6倍。它们的峰值电子速度也是硅 饱和速度的2倍多。禁带宽度和临界击穿场强也比硅高，因此是制造高频电子器件 的理想材料。目前神化铸是化合物半导体的主流材料，全球神化镶高频电子器件和 电路的年产值24亿美元。磷化锢器件的电子迁移率高达10000加2/.$,比碑化钱还高，所以其

27、高频性 能更好，工作频率更高，且有更低的噪声和更高的增益。目前在100 GHz左右的3 mm波段多数都用磷化掴器件。宽带隙半导体SiC、GaN碳化硅原子束缚能力非常强，禁带宽度很宽，机械硬度也很高，在20世纪80年 代人们逐步掌握了碳化硅晶体的生长技术后，90年代用于蓝光发光材料，同时以碳 化硅材料为基础的电力电子器件和微波功率器件也相继问世。实验表明，氮化锡具有更好的发光性能，因此蓝光发光领域内碳化硅已被氮化 钱代替，目前氮化锡是蓝光和白光发光器件的主流材料。同时，人们还发现在微波 功率放大领域，氮化锡的输出微波功率比神化铸和硅高出一个数量级以上。半导体材料的新探索随着材料技术的不断发展和成

28、熟，新材料层出不穷。人们可以用三种或四种元 素人工合成混晶半导体薄层单晶材料，调节这些元素的比例就可以得到所想要的不 同禁带宽度和不同晶格常数，称此为能带工程。金刚石具有最大的禁带宽度、最高的击穿场强和最大的热导率，被称为最终的 半导体。此外，极窄带隙半导体材料，如InAs (0.36 eV)等,也被人们广泛研究。 1.5微电子技术向其他学科的拓展第一章绪论*微电子技术的巨大成功，又迅速而广泛地向其他学科拓展，以加工微米/纳米结 构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生，在许多领域引发了一场微型 化革命。一方面，人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功 能的微米/纳米结构；另一方面，人们利用精细加工手段加工出微米/纳米级结构。 MEMS微机电系统* MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体的完整微型机电系统。 MEMS将电子系统和外部世界的物理量有机地联系起来，它不仅可以感受运动、 光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电信号，进而处理信号，发出 指令，控制执行部件所需要的操作。 MEMS器件的种类繁多，主要包括微型传感器、微型执行器和处理电路三个部分。 MEMS技术开辟了一个全新的领域和产业。尖端直径为5plm的微型镜子可以夹住一 个红