采用的-第1章微電子學概論

微電子學概論

了解微電子學發展歷史及在科學技術、國民經濟、國家安全的重要戰略作用。對微電子技術發展過程中的一些基本規律、發展前景的展望和進行預測；對充分反映微電子技術領域的最新成果、體現前沿性和時代性等進行了解。在半導體物理基礎上，對半導體器件基礎、大規模集成電路基礎、集成電路制造工藝、集成電路設計技術及集成電路CAD技術等做基本的討論。初步掌握微電子領域研究的基本內容。

教學目的

課程內容及學時安排2學分32學時第一章概論

（多媒體）

3學時第二章集成器件物理基礎（部分多媒體）

12學時第三章集成電路制造工藝

（多媒體）7學時第四章集成電路設計（多媒體）

4學時第五章微電子系統設計

（多媒體）2學時第六章集成電路CAD技術（計算機輔助設計)

4

學時考試方式：閉卷；

成績評定：平時成績30%，期末考試成績70%。教材Textbook

《微電子概論》

郝躍、賈新章、吳玉廣編著

普通高等教育“十五”國家級規劃教材

高等教育出版社

2003.12部分參考書籍半導體物理學劉恩科朱秉升羅晉生國防工業出版社高等學校工科電子類規劃教材張興，黃如，劉曉彥《微電子學概論》北京大學出版社

2000年第一版涵蓋了半導體物理和器件物理基礎知識，集成電路基礎知識、設計、制造、最新技術以及發展趨勢，內容系統全面.謝君堂，曲秀杰等著《微電子技術應用基礎》

北京理工大學出版社

2006年

第一版曹培棟，亢寶位著

《微電子技術基礎》

電子工業出版社

2001年第一版雙極、場效應用晶體管原理高等學校電子信息類規劃教材、全國電子信息類專業“九五”部級重點教材。

部分參考書籍

《半導體制造基礎》

GaryS.M.,SimonM.S.施敏著代永平譯2007年

《半導體器件物理基礎》

曾樹榮著北京大學出版社

2002年第一版

賈新章著《電子電路CAD

技術》

西安電子科技大學出版社

2000年第一版

Mi.smith【美】著虞惠華湯庭鰲等譯《專用集成電路設計技術基礎》

電子工業出版社

朱正涌著

清華大學出版社2001

概論

第一章微電子技術與集成電路的發展歷程微電子技術與半導體集成電路

集成電路的分類

集成電路的制造特點

主要內容能源材料信息信息科學-信息的存儲和傳輸依賴微電子技術和集成電路各種信息產品的基礎就是微電子微電子技術和集成電路帶動了一些列的高科技產業發展21世紀社會發展的三大支柱產業微電子科學是最典型的高新技術，雖然只有短短50多年的發展歷史，但是它已經發展成為整個信息科學技術和產業的基礎和核心，同時它又是發展極其迅速的一門技術。§1.1微電子技術與集成電路的發展歷程微電子技術和集成電路改變了社會生產方式和生活方式。甚至影響了世界經濟和政治格局。計算機的發展歷程就是最生動的例證！??！

單位質量鋼筋對GDP的貢獻率為1

汽車為5計算機為1000

彩電為30集成電路為2000電子工業的高速發展依賴于半導體工業的快速提高微電子對國民經濟的貢獻經濟數據表明：GDP增長100元，需要10元左右電子工業增加值做支撐，其中就包括2-3元的集成電路產品。集成電路1年份集成電路塊數(億塊)銷售額（億、人民幣）百分比1999411000.8%200536010002%201070025004%國際上把VLSI技術稱為“掌握世界的鑰匙”，其規模和技術是衡量一個國家綜合實力的標志。日本經濟學家：誰控制了超大規模集成電路技術誰就控制了世界產業。英國人：如果哪個國家不掌握半導體技術，哪個國家就會立刻加入不發達國家行列。除了自身對國民經濟的巨大貢獻之外采用交流傳動改造后，電力機車可節電20%-30%

內燃機車可節油12%-14%全國一半以上中等城市的自來水公司，在管網自動檢測和生產調度中使用計算機控制，可使自來水流失率降低50%人類社會的發展歷程

石器時代青銅器時代鐵器時代

硅器時代硅材料(主要)寬禁帶半導體材料(GaAs)

研究的熱點自1968年開始，硅技術為代表的信息技術領域的學術論文超過了以鋼鐵技術為代表的機械領域的學術論文11個國家集成電路人才培養基地

微電子學-信息科學的基礎

研究在固體（半導體）材料上構成的微小型化電路、子系統及系統的電子學分支，研究芯片級微電路系統的科學。研究電子或離子在固體材料中的運動規律及其應用，并實現信號處理。目的：實現電路和系統的集成。(集成電路)(集成系統)綜合性學科：半導體，集成工藝，電路設計等，涉及物理、化學、材料、電子、信號處理等發展方向：高集成度、低功耗、高性能、高可靠性一.微電子技術與半導體集成電路微電子學微型電子電路原理

微電子技術微型電子電路技術

微電子技術利用微細加工技術，在半導體材料上實現微小型固體電子器件和集成電路的技術?；A：基于固體物理、器件物理和電子學理論和方法。核心：半導體集成電路及其相關技術集成電路：利用半導體工藝元件(電阻、電容、電感)和器件(晶體管、傳感器)在同一塊半導體制造完成，互聯在一起，形成完整的有獨立功能的電路或系統。晶體管是在實際需求牽引和理論推動的共同作用下發明的物理學家發現了同晶體管有關的半導體的三個物理效應1873年，英國施密斯(W.Smith)晶體硒在光照射下電阻變小光電導效應1877年，英國亞當斯(W.G.Admas)晶體硒和金屬接觸在光照射下產生電動勢，半導體光生伏特效應1906年，美國皮爾遜(G.W.Pierce)金屬與硅晶體接觸產生整流作用，半導體整流效應能帶理論，晶體生長和摻雜技術，為研究半導體提供了保證。

在實際應用方面雷達的出現使高頻探測成為一個重要問題，電子管不僅無法滿足這一要求，而且在使用中極其不便和不可靠。體積大，功耗大，壽命短。晶體管的研究非常重要從理論，技術，應用等方面，為晶體管的發明奠定了基礎20世紀初，電子管飛速發展。電子管，是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產生電流傳導，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件

尋找物理或化學方法控制構成固體的原子和電子的排列和行為，以產生新的有用的性質從物理本質上構造材料，人工調控性能，建立材料結構和性能之間的關系1932年,獲加利福尼亞理工學院學士學位，1936年,獲麻省理工學院博士學位。1936年,在貝爾電話實驗室、美國海軍反潛作戰研究組任職。1945年,任貝爾實驗室固體物理學研究組組長。

1947年,發明點接觸晶體管，后貝爾電話實驗室申請專利。1949年，提出結型晶體管理論

。1950年，貝爾實驗室制出結型晶體管。1956年，與巴丁、布喇坦獲諾貝爾物理學獎。

1910～

肖克萊美國物理學家

1956年獲諾貝爾物理獎

威廉姆·

肖克萊

W.B.

Shockley

1928年，威斯康新大學麥迪遜分校電機工程系獲學士學位，1929年，獲碩士學位，畢業后留校擔任電機工程研究助理。1930年，在匹茲堡海灣實驗研究所從事地球磁場等研究。1933年，在普林斯頓大學的魏德曼指導下研究固體物理學。1935年，任哈佛大學研究員；1936年，獲普林斯頓大學博士學位。1941年，在華盛頓海軍軍械實驗室工作；1945年，貝爾電話公司實驗研究所研究半導體及金屬導電機制、半導體表面性能等問題。1947年，和布拉頓發明點接觸半導體三極管；1956年，獲諾貝爾物理學獎。1957年，和庫珀、施里弗共同創立了BCS理論，對超導電性做出合理的解釋。1972年，再次獲得諾貝爾物理學獎。第一位也是目前為止唯一兩次獲諾貝爾物理學獎的人。

1908~1991

約翰·巴丁JohnBardeen

美國物理學家1956年,1972年兩次獲諾貝爾物理學獎約翰·巴丁JohnBardeenW.H.Brattain

布喇頓

1902—1987WalterBrattain

布拉坦

美國實驗物理學家

1956年獲諾貝爾物理學獎1902年，出生于中國廈門。1920年，進威爾曼學院；1929年，獲明尼蘇達大學物理學博士學位，同年進入貝爾電話實驗室。1931年，開始致力于半導體研究，希望能用固體器件代替真空管。1942年，在哥倫比亞大學作戰研究組工作。1944年，回到貝爾電話實驗室；實驗物理學家1947年，和巴丁發明了點接觸半導體三極管；1956年，獲諾貝爾物理學獎。標志著電子技術從電子管時代進入到晶體管時代邁開了第一步?。。蓚€n型層中間夾一p型層作為放大結構，面結型晶體管具有實用的價值“可以想象，隨著晶體管和一般半導體工業的發展，電子設備可以在固體上實現，而不需要外部的連接線。這塊電路可以由絕緣層、導體、整流放大作用的半導體等材料組成”晶體管發明后約5年第一塊混合集成電路（只有12個元件）從此，微電子技術正式進入了集成電路(IC)時代鍺襯底上，石蠟保護，通過選擇腐蝕得到互不連通的小島，在每個小島上制作一個晶體管，器件之間互聯采用引線焊接方法集成電路的迅速發展，除了物理原理之外，還得益于新工藝的發明1950年，美國人奧爾和肖克萊發明的離子注入工藝1956年，美國人富勒發明的擴散工藝1960年，盧爾和克里斯坦森發明的外延生長工藝1970年，斯皮勒和卡斯特蘭尼發明的光刻工藝這些關鍵工藝為晶體管從點接觸結構向平面型結構過渡并使其集成化提供了基本的技術支持集成電路(IntegratedCircuit,簡稱IC)

通過一些列特定的加工工藝，將多個晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路連接集成在一塊半導體單晶片(Si或GaAs)或陶瓷等基片上，作為一個不可分割的整體執行某一特定功能的電路組件。1923年，生于密蘇里州，在伊利諾伊大學獲得電氣工程學士后，在威斯康星大學獲電氣工程碩士學位。1947年，在全球聯合公司中心實驗室工作；1952年，到貝爾實驗室參加晶體管制造技術學習。1957年，美國空軍制定分子電子學，陸軍和海軍考慮薄膜電路技術，開始承擔電路器件小型化研究。1958年，在美國得克薩斯儀器公司8月28日發明了第一塊集成電路（鍺單晶）。1959年，1月申請專利，3月公開宣布發明集成電路，五年后獲專利權。2000年，獲諾貝爾物理學獎。J.S.基爾比

——

集成電路之父1923～2005JackS.Kilby

杰克.

基爾比美國物理學家

2000年獲諾貝爾物理學獎

使晶體管的線寬盡可能小，確保各種半導體器件和電路間緊密編織至最小空間里。在頭發絲（發絲直徑：70~100微米）直徑大小的硅片上：

線寬10um:2.3千個晶體管；線寬1.5um:27萬個晶體管；線寬0.13um：430萬個以上晶體管。

計算機中的中央處理器（CPU）：超大規模集成電路，有幾十萬到幾千萬個晶體管。2.

微電子技術中最關鍵的技術主要特征：集成電路制造尺寸，以微米甚至納米來計量。電子器件和電路微小型化，適于大規模生產、成本低、可靠性高。隨著超精微加工技術的提高，集成度已超過每個芯片含數千萬個元件。3.

集成電路技術是微電子技術的核心

集成度不斷提高小特征尺寸和大圓片技術不斷適應發展需要半導體產品的高性能化和多樣化微電子技術發展的多功能化化合物和寬禁帶半導體的新發展集成電路發展特點集成度不斷提高集成度：每個芯片上集成的晶體管和元件的數目集成電路的發展基本按照摩爾(Moore)定律每隔3年，特征尺寸縮小30%,集成度提高4倍crammingmorecomponentsontointegratedcircuits“摩爾定律”的預言成為以后幾十年指導集成電路技術發展的最終法則。雖然摩爾定律不是一個物理意義上的定律，但是集成電路行業中的學者、研發人員和工程技術人員已經自覺、不自覺成為這個定律的忠實執行者。

G.E.

摩爾

Intel公司創始人之一

集成電路的復雜度與摩爾定律1965年，摩爾提出：集成電路的復雜度按每三年特征尺寸縮小0.7倍、集成度翻兩番的指數規律。103106109

毫無疑問，在過去的四十年里，摩爾定律成為了科技進步速度的推動力。然而傳統的光刻技術正在日益成為半導體制造工藝的頸，在從0.18微米到0.13微米的工藝轉換過程中各大廠商都碰到了很多困難（如現階段CPU制造過程中晶體管本身存在的漏電問題），而最新的90nm制造工藝也遲遲無法投入量產。

Moore定律再一次面臨嚴峻的挑戰，如果沒有技術突破，這一領導行業40多年的經驗公式將不再有效。不過不用擔心，新的工藝、新的器件結構、納米電子學為半導體工業帶來了曙光！

摩爾定律被譽為：

“定義個人電腦和互聯網科技發展軌跡的金律”。在過去數十年里展現出驚人的準確性：不僅僅是微處理器，還包括內存、硬盤、圖形加速卡——PC

的主要功能元件幾乎都是遵循著摩爾定律所“設計”的路線而不斷“進化”和演變。多年來，英特爾公司持續開展硅技術和制程創新，以切實的技術實踐一次次驗證了摩爾定律。自個人電腦誕生至今，晶體管密度一再增加，提升了處理器與周邊硬件的性能及性價比，催生出規模達上萬億美元的電子工業，使個人計算和通信走向全球。

Intel公司第一代CPU—4004

電路規模：

2300個晶體管

生產工藝：

10um;

最快速度：

108KHz1970年Intel公司CPU—386TM

電路規模：275,000個晶體管;

生產工藝：

1.5um;

最快速度：

33MHz

1985年Intel公司新一代CPU—Pentium?4

電路規模4200多萬個晶體管；

生產工藝

0.13um

最快速度

2.4GHz2000年

奔4芯片70年代：Kb(千)10380年代：Mb(兆)10690年代：Gb(京)109預計：21世紀30年代：Tb(太)1012存儲器的集成度縮小器件的特征尺寸(芯片)，增大硅片面積(晶片)。集成電路的制造技術已經從：微米亞微米(小于1μm)

超深亞微米（小于0.18μm

），

0.15μm和0.13μm的大生產技術也已經完成開發特征尺寸為0.07μm

已經真正實現了納米產業。單晶片的尺寸已經從原來的1.8英寸(45mm）發展到今天的8英寸~12英寸(150~300mm)。

小特征尺寸和大圓片技術

集成電路單片集成度和最小特征尺寸的發展曲線

歷史回顧1904年,弗萊明發明第一只真空管電子二極管，標志世界進入電子時代；1907年,德福雷斯特向美國專利局申報真空三極管專利，使電子管成為實用器件；1947年,貝爾實驗室的肖克萊發明點接觸晶體管，標志晶體管時代到來；1958年,J.S.基爾比發明了第一塊數字集成電路，宣布電子工業進入集成電路時代；1965年,戈登.摩爾給出摩爾定律。集成電路不同發展階段的特征參數主要特征

主要特征SSI1964年MSI1966年LSI1971年VLSI1980年ULSI1990年GSL

2000年

元件數（片）<102

102-103103-105105-107107-109

>109

特征線寬

μm5-103-51-3<10.3-0.50.12-0.18氧化層厚度

nm

>120

>100

>40

>1510-15

<10

結深

μm

>

21.2-20.5-1.20.2-0.50.1-0.2

<

0.1

硅片直徑

inch(mm)

1.8

45

2-3

50-75

4-5100-125

61508>15012

300

半導體產品的高性能化和多樣化性能表現在容量、集成度和速度性能的迅速提高功耗和工作電壓性能的明顯改善

表3.

集成電路技術發展趨勢化合物和寬禁帶半導體的新發展化合物半導體器件目前主要還是以砷化鎵為主流，但遠不如硅器件成熟，市場較小。但某些特性可實現的功能是硅器件無法完成的。所以其重要作用十分突出，如在超高速、微波和毫米波等領域發展迅速，圓片直徑已完全進入100mm向150mm

發展，設計線寬正向0.1μm發展。寬禁帶半導體碳化硅(Eg=2.33ev),氮化鎵(Eg=3.45ev),氮化鋁(Eg=6.2ev）等新一代寬禁帶半導體，近幾年發展突飛猛進。碳化硅、氮化鎵已從材料研究進入器件研究。特別是氮化鎵在高溫、高頻、光電等方面更有獨特的發展潛力,所以被稱為是第三代半導體新技術。工業控制和機電一體化專用IC通信用IC集成傳感器IC智能儀器儀表專用IC家電專用IC單片集成電路是獨立實現單元電路功能，不需外接元器件的集成電路。所有電子元器件在同一半導體上制作要實現單片集成，需要解決一些不易微小型化的電阻、電容元件和功率器件的集成，以及各元件在電路性能上互相隔離的問題。

網絡技術與多媒體技術的飛速發展，傳統芯片在速度和功能上已無法滿足需要，實現單片上多功能化勢在必行。在10mm2的芯片上集成一個系統或子系統，其集成度將高達108～109元器件/片，將使IC、IC應用進入新時代。除了提高速度性能外，實現單片上多功能化是趨勢。多媒體芯片與系統集成芯片（SoC）的出現正是重要途徑。SoC被稱為未來芯片的主流,。發展的方向具有較強的聲音、圖像、通信處理能力的新型多媒體芯片。系統集成芯片(單片系統)

SoC

SystemonChip§1.2集成電路的分類

集成電路是由元、器件組成。無源元件：電阻、電容、電感、互連線、傳輸線等。有源器件：各類晶體管，雙極型、場效應晶體管。

集成電路分類：一．

集成電路的分類按器件結構類型分類

按集成電路規模分類按使用基片材料分類按電路功能分類按應用領域分類小規模中規模大規模超大規模特大規模巨大規模P型MOSN型MOS

互補型MOS雙極MOS雙極互補MOS電子元件在同一半導體半導體元件和芯片數字信號處理的電路對模擬信號放大，轉換同時處理模擬和信號的電路

厚膜混合IC薄膜混合IC

TTLECL等P-MOS

N-MOSC-MOS

BiMOS

BiCMOS

混合IC雙極型MOS型BiCMOS

單片IC

或半導體IC二.

按電路結構分類

分為兩類采用外延生長、氧化、光刻、擴散等技術，將多個晶體管、電阻、電容等元件以及它們之間的連線做在一塊半導體基片上所構成的電路。半導體集成電路

硅半導體集成電路、化合物半導體集成電路硅集成電路仍然是主流，化合物集成電路主要是砷化鎵。1.

半導體集成電路（單片集成電路

Monolithic）2.

混合集成電路是指將多個半導體集成電路芯片或半導體集成電路芯片與各種分立元器件通過一定的工藝進行二次集成，構成一個完整的、更復雜的功能器件。通常也叫二次集成包括：無源元件(電阻，電容，電感)、半導體芯片、帶有互聯金屬化層的絕緣基板制造工藝厚膜IC:厚度>1μm的膜，制備厚膜電阻、電容和絕緣層以及互聯線。采用各種漿料(Ag2O-Ag電阻漿料、Au或Cu漿料。隔離介質的玻璃漿料)。漿料通過絲網印刷技術涂敷到玻璃或陶瓷基板上，形成電阻或互聯線圖形。再與同基片上的器件或單片集成電路組裝。薄膜IC

：厚度

<1μm的膜，采用真空蒸發、濺射技術在硅片或玻璃基片制備薄膜電阻、電容等再與同基片上的器件或單片集成電路組裝。2.

混合集成電路

三.按電路功能分類

模擬IC

或線性電路

數字IC或時序邏輯電路

混合信號IC或數、?；旌想娐穼δM信號(連續變化信號)進行放大，轉換，調整運算等功能的集成電路放大器模擬乘法器模擬開關采用二進制進行數字計算和邏輯函數運算的集成電路處理器微控制器存儲器

同時處理模擬和數字兩種信號

A/D轉換器

D/A轉換器

小規模IC

（SSI）：10～100個元、器件／片;

如各種邏輯門電路、集成觸發器。

中規模IC

（MSI）：100～1000個元、器件／片;

如譯碼器、編碼器、寄存器、計數器。

大規模IC

（LSI）：1000～105個元器件／片，如中央處理器，存儲器。

超大規模IC

（VLSI）：105個元器件以上／片，CPU含有元件310萬～330萬個。四.按電路規模（集成度）分類特大規模IC

（ULSI）：元器件數

107~109／片巨大規模IC

（

GSI）：元器