微电子学概论 (2)

1、微电子学概论,第一章 绪 论,1,课程概论,课程名：微电子学概论 学分：2 时间：秋季学期1-18周,2,教材和参考资料,微电子学概论（第三版），张兴，黄如，刘晓彦，北京大学出版社，2010年。 微电子技术概论 ，常青，陶华敏，肖山竹，国防工业出版社，2006年。 以及其他的papers。,3,成绩考核,出勤：30% 期末：70%,4,微电子学：Microelectronics,微电子学微型电子学 核心集成电路,5,集成电路,6,集成电路： Integrated Circuit（IC） 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或陶瓷等基片

2、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,7,为什么要学习该课程？,For money? For ambition? For good life? For technology? Or for others?,8,世界上第一台电子计算机ENIAC,9,集成电路在当代国民经济的重要地位,单位质量钢筋 对GDP的贡献为1,小汽车为5,彩电为30,计算机为1K,IC为2K,10,90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。,11,几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用微电子芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春。 仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术

3、进行改造，每年即可节电659亿度，相当于三个葛洲坝电站的发电量。 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用6000万只，所节省的电能相当于三座大亚湾核电站的发电量。 若全国一半中等以上城市的自来水公司不同程度地在管网自动检测和生产调度中使用计算机控制，可以使自来水流失率降低50。,微电子对传统产业的渗透与带动作用,12,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:

4、 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,13,微电子产业的战略重要性,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。,14,我国微电子发展现状,2001年，国务院18号文和51号文关于鼓励软件产业和集成电路产业的若干政策 建立了7个IC产业化基地：北京、上海、深圳、西安、成都、无锡等 建立54个IC人才培养基地 ,中国集成电路产业的累计投资额,15,我国微电子芯片制造业,上海中芯国际（SMIC：Semiconductor Manufactory International Corporation） 14.76亿美元，8英寸，4.2万片/月 提

5、供加工服务（Foundry） 2000年成立，2001年6月投产 国内第一个掌握0.13m至0.18mCMOS制造技术、实现8寸硅片量产的芯片公司 2003年进入世界前五大Foundry之一,16,上海宏力：16.37亿美元 8英寸，0.25m，4万片/月 上海贝岭：7.88亿元 6英寸，0.50.35m数模混合集成电路，1.5万片/月 华虹NEC：上海 TSMC：上海嵩江 UMC：苏州 SMIC天津（原Motorola MOS17）： 14.75亿美元 8英寸， 0.25m，6k片/月 中芯国际（北京）公司：12.5亿美元 8英寸，0.350.18m，3万片/月 12英寸，0.13m90nm

6、，3k片/月 2004年9月25日开始投产,17,大量的设计公司,大唐微电子 杭州士兰 苏州意源 绍兴芯谷 无锡矽科 北京中星微 北京希格码晶华 上海华虹集成电路 中国华大 深圳国微 ,18,我国微电子发展展望,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 自主发展的技术与世界同期水平相当,19,未来几年将是我国微电子产业的黄金时期！,20,绪 论,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,21,1.1 晶体管的发明,理论基础 1833年，Faraday（英），氧化银电阻率

7、随温度升高而增加。 1873年，Smith（英），光电导效应。 1877年，Adams（英），光生伏效应。 1906年，Pierce（美）等，整流效应。 1931年，Wilson（英），能带理论。 1939年，维多夫（前苏联）、莫特（英）、肖特基（德），金属-半导体接触整流作用理论。 普度大学、康乃尔大学，纯净晶体的生长和掺杂技术。 实际需求 高频探测，电子管已不能满足要求。 电子管在移动式军用器械和设备上使用的不便和不可靠。,22,1946年1月，Bell实验室正式成立固体物理研究小组：Schokley、 Bardeen、Brattain（见左下图）。 1947年12月23日，点接触晶体管（

8、见右下图） ，首次观测到晶体管的放大作用。 1950年，Schokley、Sparks、Teal（美），单晶锗npn结型晶体管。,1956年诺贝尔物理学奖,23,1.2 集成电路的发展历史,1952年，Dummer（英），集成电路设想。 1958年，TI，Kilby（2000年诺贝尔物理学奖）等，第1块IC；1959年公布结果（见左下图）。 1959年，Intel，Noyce，发明IC的单晶制造概念，（见右下图）。,24,重要的工艺发明,1950年，Ohl、Shockley，离子注入工艺。 1956年，Fuller，扩散工艺。 1960年，Loor、Christensen，外延生长工艺。 19

9、70年，Spiller、Castellani，光刻工艺。 这些关键工艺为晶体管从点接触结构向平面结构过渡并使其集成化提供了基本的技术支持。,25,MOS技术,1938年，Lilienfield，MOS场效应晶体管的概念、工作原理以及具体的实施方案。 1960年，Kang、Atalla，硅半导体材料的MOS。 1963年，Wanlass、Sah，CMOS观念。 1969年，Kerwin等，多晶硅自对准栅极工艺。 70年代，nMOS技术成为MOS发展的主要推动力。 80年代起，CMOS才成为超大规模集成（VLSI）电路的主流技术。,26,Moore 定律,1965年，Intel的创始人之一Gord

10、on Moore在他的论文“cramming more components onto integrated circuits”里预言：每18个月芯片集成度增加一倍。,毫无疑问，在过去的四十年里，摩尔定律成为科技进步速度的推动力！。,27,器件按比例缩小原理,1974年，IEEE J Solid-State Circuits第9期，Dennard，器件等比例缩小定律。 基本思想： MOS器件的尺寸按一定比例K1缩小，单位面积上的功耗可保持不变；器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。器件越小，同样面积的芯片可集成更多、更好的器件，由此降低器件的相对成本。 摩尔定律的物

11、理基础。,28,摩尔定律面临挑战！,传统光刻技术逐渐成为半导体制造工艺瓶颈。 0.18m到0.13m工艺转换过程中，碰到很多困难，如现阶段CPU制造过程中晶体管本身存在的漏电问题； 最新的90nm制造工艺也迟迟无法投入量产。 Moore定律面临严峻挑战，没有技术突破，这一领导行业40多年的经验公式将不再有效。,新的工艺、新的器件结构、纳米电子学为半导体工业带来曙光！,29,1.3 集成电路的分类,双极集成电路双极晶体管 npn型双极集成电路 pnp型双极集成电路 优点：速度高、驱动力强；缺点：功耗较大、集成度较低。 金属-氧化物-半导体集成电路MOS晶体管 nMOS pMOS CMOS（互补M

12、OS） 优点：功耗低、集成度高，随特征尺寸缩小，速度可以很高。 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路；综合双极和MOS器件的优点，但制作工艺复杂。,1.3.1 器件结构类型,30,1.3.2 集成电路规模,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 中规模集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 特大规模集成电路 巨大规模集成电路,31,1.3.3 按结构形式的分类,单片集成电路 电路中所有的元件都制作在同一块半导体基片上的IC。 混合集成电路（二次集成IC） 将多个半导体IC芯片或半导体IC芯片与各种分立器件通过一定的工艺进行二次集成，

13、构成一个完整的、更复杂的功能器件 ，该功能器件最后被封装在一个管壳中，作为一个整体使用。,32,1.3.4 按电路功能分类,数字集成电路（Digital IC）：指处理数字信号的IC，采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算。 模拟集成电路（Analog IC）：指处理模拟信号（连续变化的信号）的IC。线性集成电路（放大集成电路）：运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：振荡器、定时器等电路。 数模混合集成电路（Digital-Analog IC）：如数模（D/A）转换器和模数（A/D）转换器等。,33,34,IC芯片生产厂大致可分为三类,通用电路生产厂：生产存储器和CPU，如Int

14、el。 集成器件制造商（Integrated Device Manufactory，IDM），产品主要用于自己的整机和系统，如Motorola，NEC。 标准工艺加工厂（代客加工厂），Foundry 名词来源于加工厂铸造车间，无自己产品； 优良加工技术、优质服务，提供加工服务； 客户群初期多为没有生产线的设计公司，但随着技术发展，许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工。,35,台积电（TSMC）：1987年，台湾“半导体教父”张忠谋，全球最大的专业IC制造服务公司。,台联电（UMC）：1980年，曹兴诚，岛内第一家IC公司。仅次于TSMC的台湾第二大半导体企业，世界上第二大专业芯片代工厂。,Foundry做的最好是华人,ATI、nVIDIA图形处理芯片，VIA、SIS、ALI主板南北桥芯片组，基本都由TSMC和UMC这两家公司负责生产。,36,37,90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,38,UMC,39,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 电路线路、信号处