微电子学概论第一章绪论

微电子学概论微电子学概论IntroductiontoMicroelectronics杨红官杨红官电子科学与技术系电子科学与技术系IntroductiontoMicroelectronics第章绪论第一章绪论§11微电子技术的发展与应用简介§1.1微电子技术的发展与应用简介§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进§1.3集成电路设计技术的迅猛发展§1.4半导体电子材料的推陈出新§15微电子技术向其他学科的拓展§1.5微电子技术向其他学科的拓展第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X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。X微电子技术发轫于晶体管和集成电路的发明X微电子技术发轫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――点接触型锗晶体管。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（WilliamShockley）、巴丁（JohnBardeen）和布拉坦（WalterBrattain）因为晶体管的发明于1956年获得了诺贝尔物理学奖。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模集成电路大规模集成电路此后，集成电路经过了小规模集成电路、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。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介1947年发明第一个点接触型晶体管（贝尔实验室）J.BardeenW.BrattainW.Shockley1956年诺贝尔物理奖点接触晶体管：基片是N型锗，发射极和集电极是两根金属丝。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：~50μm第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介1948年W.Shockley提出结型晶体管概念1950年第一只NPN结型晶体管第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介J.Kilby－TIy2000诺贝尔物理奖R.Noyce－Fairchild半导体Si，Al线半导体Si，Al线半导体Ge，Au线诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集诺依斯被誉为提出了适合于工业生产的集成电路理论的人”。1969年，美国联邦法院昀后从法律上承认了集成电路是项“同时的发明”集成电路是一项“同时的发明”。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X第一台计算机：ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorandComputer1946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平方米占地170平方米重达30吨耗电150千瓦保存80个字节保存个字节每秒5千次加、减法运算法运算价值40万美元第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机第五代：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神经网络计算机生物计算机全光计算机量子计算机第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X著名的摩尔定律（M’L)X著名的摩尔定律（Moore’sLaw)硅集成电路二年（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。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X集成电路集成度的爆发式增长芯X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片时钟频率整个系统集成在一个芯片上。率越来越高芯片高片电源电压单个芯片上晶体管数目越来越多压越来越低单个芯片上晶体管数目越来越多低布线层层数越来越单个芯片面积越来越大越多第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X集成电路的广泛应用集成电路的应用集成电路的应用第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X集成电路的广泛应用Æ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人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X集成电路的广泛应用Æ集成电路的高速发展源于军、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。X在民用芯片方面X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低价¦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低价格化。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X集成电路的广泛应用X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样要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¦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。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X国家为什么要大力发展集成电路？Æ社会发展的需要：集成电路是昀能体现知识经济特征的典型产品之一。Æ社会发展的需要：集成电路是昀能体现知识经济特征的典型产品之。Æ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1～2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6～8万亿美元的电子装备和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。Æ国家安全的需要：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。第一章绪论§1.1微电子技术的发展与应用简介X中国集成电路设计公司状况Æ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%。Æ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%。Æ水平：昀大设计规模为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%。第一章绪论§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进X集成电路工艺技术发展的关键是微细加工技术。目前，LSI加工线条宽度正由微米级（0.5μm、0.25μm、0.13μm）向纳米级（906510）过渡nm、65nm、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”。半导体制作工艺及其专用设备的变革第一章绪论§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进X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¦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1GH以上第二使晶体管密度（晶体管数/2）增加集成规模增大频率已高达1GHz以上；第二，使晶体管密度（晶体管数/mm2）增加，集成规模增大，单个晶体管的成本快速下降。MOS晶体管按比例缩小原则国际半导体工业协会对DRAM特征尺寸缩小的预测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§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进X逐步增大圆片面积——提高芯片成品率和降低成本的昀佳途径¦提高集成度的另一个途径是增大每一个芯片的面积。圆片面积从20世纪60年代的提高集成度的另个途径是增大每个芯片的面积。圆片面积从20世纪60年代的25mm(1in)、50mm(2in)发展到20世纪90年代的100mm(4in)、125mm(5in)、150mm(6in)，目前主流为200mm(8in)，先进的工厂已采用300mm(12in)。到2015年左右可能出现400(16i)至450(18i)直径的硅圆片制造集成电路技术但左右，可能出现400mm(16in)至450mm(18in)直径的硅圆片制造集成电路技术，但这同时也引起了集成电路净化厂房、专用设备、制造工艺技术及其投资成本和风险急剧上升的问题。300mm晶元和Pentium4芯片12英寸直拉硅单晶（1m多长）照片300mm晶元和Pentium4芯片第一章绪论§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进Æ圆片加工处理过程中，在圆片上制作单元器件的前在圆片制作单元器件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芯工序；将制造出来的LSI芯片封装、测试成为后工序。第一章绪论§1.2集成电路工艺技术的突飞猛进X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（0.25μm~0.13μm）进入到纳米量级（90nm~45nm）。¦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¦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（≤100nm），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非线性光学效应等都会表现得越来越明显库