微电子技术绪论

1、1.1 微电子技术发展历程微电子技术发展历程 定义定义1：微电子微电子技术技术是微小型电子元器件和是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用它们实现电子系电路的研制、生产以及用它们实现电子系统功能的技术领域。在这个领域中最主要统功能的技术领域。在这个领域中最主要的就是集成电路技术的就是集成电路技术。 空间尺度以微米为单位空间尺度以微米为单位（mm）集成电路集成电路是指以半导体晶体材料为是指以半导体晶体材料为基片基片,采用专门的工艺技术将组成电采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微型化电路部、表面或基片之上的微型化电路或系统或

2、系统。 l定义定义2 2：微电子技术微电子技术一般是指在一般是指在半导体硅晶半导体硅晶体体片上通过精细微加工工艺片上通过精细微加工工艺（包括光刻、刻光刻、刻蚀、氧化、扩散、掺杂、封装蚀、氧化、扩散、掺杂、封装等工艺）制作制作具有一定电路功能的具有一定电路功能的集成电路集成电路（ICIC）微电子技术的重要性：微电子技术的重要性：l自自19981998年来，半导体工业是世界上发展最快的工业（电脑）年来，半导体工业是世界上发展最快的工业（电脑）l集成电路技术是实现此工业的基础集成电路技术是实现此工业的基础集成电路已成为当代各行各业智能工作的基石集成电路已成为当代各行各业智能工作的基石集成电路集成电路

3、在发达国家的发展过程中还存在一条规律，即电子工在发达国家的发展过程中还存在一条规律，即电子工业增长速率一般业增长速率一般GNPGNP增长速率的增长速率的3 3倍，而集成电路工业增长速率倍，而集成电路工业增长速率又是电子工业的又是电子工业的2 2倍。倍。微电子技术的最重要微电子技术的最重要的应用领域就是的应用领域就是计算计算机技术领域机技术领域 。运算器、运算器、控制器、存储器到输控制器、存储器到输入、输出设备，都是入、输出设备，都是微电子技术的结晶微电子技术的结晶。l 1. 1905-1947: 电子管时代电子管时代Vacuum Tubel 2. 1948-1959: 晶体管时代晶体管时代l

4、3. 1959后：后： 集成电路时代开始集成电路时代开始微电子发展的历史微电子发展的历史: :l 1906年年 德福雷斯特第一只三极管德福雷斯特第一只三极管l 1920-1939年年 无线电电视无线电电视,广播广播,接收接收l 1925年年 场效应晶体管的提出场效应晶体管的提出l 1940-1947年年 雷达电子计算机雷达电子计算机1 . 1905-1947: 电子管时代电子管时代电子管：电子管：一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。用以获

5、得信号放大或振荡的电子器件。场效应晶体管场效应晶体管里连里连.费尔德费尔德 (1882-1963)(1882-1963)：德国：德国人，后由于德国日益增长的迫害人，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。司的电容工程师。他于他于19251925年第年第一个提出了场效应晶体管的概念一个提出了场效应晶体管的概念并于并于1930 1930 年获得专利。年获得专利。19351935年年, , Oskar HeilOskar Heil描述了一种类似于结描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构型场效应晶体管的结构. . 然而，然而，由于材料的困难实际制

6、备晶体管由于材料的困难实际制备晶体管在在19601960年以前是不可能的。年以前是不可能的。 2. 1948-1959: 晶体管时代晶体管时代l 1947 年点接触型晶体管年点接触型晶体管l 1950 年面结型硅晶体管年面结型硅晶体管l 1953 年半导体材料区域提纯年半导体材料区域提纯l 1958 年第一块集成电路年第一块集成电路 l 德克萨斯仪器公司德克萨斯仪器公司(TI) - Ge ICl 仙童公司仙童公司(Fairchild) - Si ICl 1960年年MOS场效应管场效应管晶体管晶体管:一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳

7、压、信号调制和许多其它功能放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能. l 1947年晶体管的发明开创年晶体管的发明开创了一个新纪元，上世纪最了一个新纪元，上世纪最伟大的发明。伟大的发明。l 1956年年威廉威廉.肖克莱、约肖克莱、约翰翰.巴丁、沃尔特巴丁、沃尔特.布拉顿布拉顿获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。威廉威廉.肖克莱肖克莱晶体管之父晶体管之父 19471947年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。 在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上

8、微弱的电流，并加然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。种信号放大现象。 因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一“点点”接触，故称之为接触，故称之为“点接触晶体管点接触晶体管”。 这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作困难等缺点制作困难等缺点。第一个晶体管的诞生第一个晶体管的诞生 肖克莱在点接触晶肖克莱在点接触晶体管发明后，提出体管发明后，提出了可

9、以利用两个了可以利用两个p型型层中间夹一层中间夹一n型层作型层作为半导体放大结构为半导体放大结构的构想。并与的构想。并与M.Sparks 和和G. K.Teal一起发明了一起发明了单晶锗单晶锗PNP结型晶结型晶体管。体管。 1958 年，年， 德州仪器公德州仪器公司（司（TI）的）的基尔比基尔比研研制出了世界上第一块制出了世界上第一块集成电路。该电路是集成电路。该电路是在锗衬底上制作的相在锗衬底上制作的相移振荡器和触发器，移振荡器和触发器，共有共有12个器件。器件个器件。器件之间是介质隔离，器之间是介质隔离，器件间互连线采用的是件间互连线采用的是引线焊接方法引线焊接方法。 瑞典皇家科学院将瑞典

10、皇家科学院将2000年诺贝尔物理奖授予年诺贝尔物理奖授予1.1. 俄罗斯圣彼得堡俄罗斯圣彼得堡A.F.IoffeA.F.Ioffe物理技术研究所的物理技术研究所的阿尔弗洛夫阿尔弗洛夫博士博士, ,2.2. 美国加州大学圣巴巴拉分校的美国加州大学圣巴巴拉分校的克罗默克罗默教授教授3.3. 美国美国TITI公司的公司的基尔比基尔比教授。教授。l 集成电路（Integrated Circuit IC）是指通过一系列特定指通过一系列特定的加工工艺，将二极管、三极管等多个晶体管的有源器的加工工艺，将二极管、三极管等多个晶体管的有源器件和电阻、电容等无源器件，按一定的电路连接集成在件和电阻、电容等无源器件

11、，按一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。的整体执行某一特定功能的电路组件。VLSI = Very Large Scale Integration小规模小规模SSI 100个晶体管个晶体管中规模中规模MSI 100-1000个晶体管个晶体管大规模大规模LSI 1000-100000个晶体管个晶体管超大规模超大规模VLSI 100000个晶体管个晶体管3. 1959年后开始了集成电路的时代年后开始了集成电路的时代 1971年年Intel公公司推出的微处理器芯司推出的微处理器芯片上只有片

12、上只有2300个晶体个晶体管管 1982年年intel 80286 微处理器上有微处理器上有13万万4千个晶体管千个晶体管二二 集成电路的分类级发展特点集成电路的分类级发展特点 集成电路的分类集成电路的分类(1 ) 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成lNPN型双极集成电路型双极集成电路lPNP型双极集成电路型双极集成电路(2) 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)集成电路集成电路： 主要由主要由MOS晶体管晶体管(单极型晶体管单极型晶体管)构成构成lNMOSlPMOSlCMOS(互补互补MOS)(3) 双极双极-MOS(BiMOS)集成电路集成电

13、路： 是同时包括双极和是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综合了晶体管的集成电路。综合了 双极和双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。l 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类类 别别数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路MOS IC双极双极ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 2.2.按集成度分类按集成度分类(1) 单片集成电路单片集成电路 是指电路中所有的元器件都制作在同一块半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。导体基片上的集成电路。

14、(2) 混合集成电路混合集成电路 厚膜集成电路 薄膜集成电路3. 按使用的基片材料分类按使用的基片材料分类(1) 数字集成电路数字集成电路(Digital IC) 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式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。进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。(2) 模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC) 是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路。通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路。(3) 数模混合集成电路数模混合

15、集成电路(Digital - Analog IC) 例如例如 数模数模(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)转换器等。转换器等。3. 按电路的功能分类按电路的功能分类(1)标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。度不高，然而社会需求量大，通用性强。(2) 专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称设计的集成电路简称ASIC，其特

16、点是集成度较，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。高功能较多，功耗较小，封装形式多样。4.按应用领域分类按应用领域分类集成电路的发展集成电路的发展l 1 从从SSI到到ULSI ( Moore 规律规律 小型化小型化)l 2 从简单逻辑到复杂系统从简单逻辑到复杂系统l 3 微机电系统微机电系统( MEMS)硅集成电路四年（或三到四年）为一代硅集成电路四年（或三到四年）为一代;集成度翻两番集成度翻两番;工艺线宽约缩小工艺线宽约缩小30%;芯片面积约增芯片面积约增1.5倍倍;IC工作速度提高工作速度提高1.5倍倍. Moore 定律定律: 发展阶段发展阶段主要特征主要特征MSI(1

17、966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-0.20.2-0.1芯片面积芯片面积(mm2)150IC在各个发展阶段的主要特征数据在各个发展阶段的主要特征数据在过去的在过去的50年，年，价格下降了价格下降了1亿倍，尺寸减亿倍，尺寸减少少10亿倍亿倍微机电系统

18、微机电系统 (MEMS)微电子技术与微机械加工技术相结合的产微电子技术与微机械加工技术相结合的产物。它将信息获取、信息处理及执行、电物。它将信息获取、信息处理及执行、电源等部件集成在一起。源等部件集成在一起。 随着集成电路技术的不断发展，当前微随着集成电路技术的不断发展，当前微电子技术已进入集成系统芯片（电子技术已进入集成系统芯片（System on Chip, SOC）的时代，即将整个系统）的时代，即将整个系统或子系统集成在一个硅芯片上，今后，或子系统集成在一个硅芯片上，今后，更可以将各种物理的、化学的和生物的更可以将各种物理的、化学的和生物的传感器（信息获取器件）和信息处理、传感器（信息获

19、取器件）和信息处理、存储、运算和执行的系统集成在一起，存储、运算和执行的系统集成在一起，形成一个更为广义的集成系统芯片。形成一个更为广义的集成系统芯片。中国的半导体企业中国的半导体企业 我国的晶体管我国的晶体管,集成电路的发展起始于集成电路的发展起始于50年代中期年代中期.1956年第一只年第一只Ge合金晶体管诞生合金晶体管诞生1965年第一片集成电路制成年第一片集成电路制成 由于历史的原因由于历史的原因,现在我们已落后于世界先进水平。现在我们已落后于世界先进水平。目前目前,约有约有60家单位从事半导体的研究、设计和制造。家单位从事半导体的研究、设计和制造。 l 我国芯片厂目前分为四类：我国芯