微电子学概论.ppt

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1、微电子学概论,32学时概论：对微电子学概括介绍对象：工科非微电子专业本科生目的：提供对于微电子学的全面了解，在某些兴趣点上有所深入，帮助学生建立起将来从事微电子或与微电子有关的事业的基础基础课程：大学物理（普通物理学），基础电工、电路类课程授课：清华大学微电子学研究所严利人,-1.01-,教材：以电子教案为主，补充其他内容课程参考书目：严利人等，微电子制造技术概论朱正涌，半导体集成电路杨之廉，集成电路导论西安电子科技大学，微电子技术概论,-1.02-,与微电子密切相关的产业（链）为IC制造业服务的行业：设备，材料，IC设计IC制造业广泛应用IC的工业部门：电子信息，计算机，几乎各行各业*特殊元

2、器件，MEMS，BioChips，液晶等课程主线索半导体材料器件工作机理基本电子器件与电路单元集成工艺集成电路设计技术,-1.03-,课程主线索从基本的材料介绍（固体物理；晶体学）讲起，循序渐进地讲解：用半导体材料来制作最简单的电子器件电阻，的原理（半导体物理）；更复杂一些的电子器件，PN结（二极管）、双极晶体管、MOS晶体管，的工作机理与器件结构（半导体器件物理）；用上述基本材料构建的数字/模拟电路模块的方法技术（数字集成电路；模拟集成电路）；制造所有以上这些器件的工艺技术与集成制造技术（集成电路工艺）；以及最后介绍的IC设计技术（器件设计；工艺设计；IC电路设计）,-1.04-,根据课程主

3、线索 第一章，概述（2学时）第二章，晶体管基本原理（8学时）第三章，基本电路模块（6学时）第四章，集成电路制造技术（10学时）第五章，微电子设计技术（4学时）第六章，微电子技术的发展与展望（2学时）强调一定的自学与课堂笔记，讲课内容与讲义略有出入,-1.05-,第一章 概述,1.1 IC产业的概况 1.2 微电子发展历史1.3 微电子学的主要成果集成电路1.4 微电子元器件的分类1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.06-,1.1 IC产业的概况,总体趋势（本节的介绍资料，主要来自于ITRS2003）,-1.07-,1.1 IC产业的概况,总体趋势,-1.08-,1.1 IC产业的概况,

4、总体趋势,-1.09-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.10-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.11-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.12-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.13-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.14-,1.1 IC产业的概况,产业的驱动力,-1.15-,1.1 IC产业的概况,无线应用,-1.16-,1.1 IC产业的概况,设计技术,-1.17-,1.1 IC产业的概况,设计技术,-1.18-,1.1 IC产业的概况,前道工艺技术,-1.19-,1.1 IC产业的概况,光刻技术,-1.20-,1.1 IC产业的概

5、况,ASSEMBLY AND PACKAGINGEMERGING RESEARCH DEVICESENVIRONMENT,SAFETY,AND HEALTHFACTORY INTEGRATIONINTERCONNECTMETROLOGYMODELING AND SIMULATIONPROCESS INTEGRATION,DEVICES,AND STRUCTURESTEST AND TEST EQUIPMENTYIELD ENHANCEMENT,-1.21-,1.1 IC产业的概况,在2006年中，已经实现了65nm代工（TSMC）集成电路材料：Si，GaAs，SiGe，InP，SOI，应变Si

6、工艺气体，化学药品，耗材：SHIPLEY，FUJI设备：AM，ASM，ASML，Varian，Novellus，Lamb，TEL，Nikon，Canon设计：Synopsis，Cadence工艺研发：IMEC；SUPREM，（DEVICE）洁净技术，厂房技术，工厂控制，先进制造：BROOKSIC（SOC）设计与应用国内IC制造厂：SIMC，和舰，宏力，华宏NEC，SGNEC,-1.22-,1.2 微电子发展历史,-1.23-,1.2 微电子发展历史,1947年12月23日第一个晶体管NPN Ge晶体管Bell实验室：W.Schokley J.Bardeen W.H.Brattain,-1.24

7、-,1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,1.2 微电子发展历史,-1.25-,1962年，Wanlass、C.T.SahCMOS技术，现在集成电路产业中占95%以上1967年，Kahng、S.Sze 非挥发存储器1968年，Dennard单晶体管DRAM1971年，Intel公司微处理器计算机的心脏,1.2 微电子发展历史,-1.26-,1.2 微电子发展历史,1971年，第一个CPU：4004 10微米的工艺，2300个晶体管,1999年，Pentium III CPU芯片0.25微米工艺，2800万个晶体管,-1.28-,1.2 微电子发展历史,-1.28

8、-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,集成电路：通过一系列特定的加工工艺，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（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能,-1.29-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,-1.30-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,-1.31-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,-1.32-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,64M SDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,-1.33-,集成电路的内部单元,1.3

9、微电子学的主要成果集成电路,-1.34-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,沟道长度为0.15微米的晶体管,栅长为90纳米的栅图形照片,-1.35-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,-1.36-,1.3 微电子学的主要成果集成电路,-1.37-,混合集成电路 将电阻、电容、连线做在陶瓷基片上，再贴装上半导体器件或电路。厚膜电路用印刷的方法做薄膜电路用半导体工艺做（淀积、光刻等）单片集成电路 将所有的元器件和连线都做在一个半导体基片上单片集成电路具有显著优势体积小、速度高、功耗小、生产率高混合集成仍有市场工艺难度小，设计灵活，开发快，特别在大功率、高频电路方面,1.4 微电子元器件的分类,

10、按集成的形式分：,-1.38-,小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI:105)特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI),1.4 微电子元器件的分类,按集成度分：,-1.39-,1.4 微电子元器件的分类,按集成度分：,-1.40-,双极型电路基本器件为NPN/PNP晶体管（Bipolar）特点：驱动能力强，工作速

11、度高，但功耗较大MOS电路基本器件为MOS场效应晶体管（MOSFET）特点：器件尺寸小，单元电路简单，功耗低，但外驱动能力较差又分为NMOS、PMOS与CMOS，主流为CMOSBiMOS将Bipolar和MOS做在一起，兼顾二者优点，但制作工艺复杂,1.4 微电子元器件的分类,按器件的工艺结构分：,-1.41-,数字电路数字信号，“1”、“0”，占IC绝大多数，元器件参数精度要求不高模拟电路模拟信号，大小连续变化，也称线性电路，例如运算放大器元器件参数精度要求严格，设计与制作比数字电路难得多（同等规模下）数模混合一个重要的发展方向（随集成规模的加大）,1.4 微电子元器件的分类,按所处理的信号

12、分：,-1.42-,逻辑电路 进行数字信息的运算、处理，包括：计算与控制电路，如CPU(Central Processing Unit)，MCU(Micro-Control Unit)实时信息处理电路，如音像DSP(Digital Signal Processing)各种通用数字电路，如门、触发器、计数器、数显电路存储器电路 存储原始数据、计算结果与数据处理过程中的数字信息，包括：移位寄存器（SR）随机存储器：DRAM（动态），SRAM（静态）只读存储器：ROM，PROM（可编程），E2PROM（电可擦写）新型存储器：Flash Memory，FRAM，MRAM,1.4 微电子元器件的分类,数

13、字电路中，按功能分：,-1.43-,1.4 微电子元器件的分类,根据应用的普遍性或特殊性，按IC不同的生成模式划分：,通用集成电路（标准IC）如CPU，存储电路等用量大，由芯片厂精心设计开发，以保证最好性能、最低成本、最大效益专用电路ASIC(Application Specific IC)按用户的特殊要求设计，品种繁多用户或产品设计公司（Fabless Company）设计，由专业芯片加工厂（Foundry）加工这要求工艺标准化和设计自动化 八十年代中期得到相当程度实现,-1.44-,全客户（Full Customer）电路 设计与标准IC没什么不同半客户（Semi Customer）电路

14、在芯片厂半成品的基础上设计门阵电路 标准基片，主要由相同的基本门结构组成，用户设计布线优点：专用工艺流程短，开发周期短，开发成本低缺点：芯片面积大，性能损失大标准单元电路 无基片，只有成熟的、经过优化的标准单元设计库特点：芯片面积、性能损失较小，但开发成本大、周期长半客户电路与通用电路生产模式有明显区别，而全客户电路与通用电路没有明显界限，批量增大，用户增多时，也可成为通用电路，例如VCD电路。,-1.45-,1.4 微电子元器件的分类,特殊应用元器件和新兴元器件：,MEMS微机电系统传感器执行器MOEMS微光机电系统BioChips生物芯片量子器件特种半导体器件,-1.46-,1.4 微电子

15、元器件的分类,MEMS,Ant vs.MEMS devices,-1.47-,1.4 微电子元器件的分类,MEMS,-1.48-,1.4 微电子元器件的分类,系统集成,-1.49-,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,促进了电子信息产业的发展 低速-高速，简单功能-复杂，庞大-小巧 彩电，计算机（PC），通信（手机、交换机）都是明显例子 促进了社会发展的数字化、信息化 例如网络，数字电视，GPS（全球定位系统）等 是国防和高技术发展的重要基础，已成为国家的战略性产业 两弹一星，国防装备，科研设备，科学实验，科学计算等都离不开微电子,-1.50-,进入机械、交通、电力、医疗、轻工以至日用百货等

16、各行业，提高了其产品的附加值 例如程控机床，汽车，医疗设备，相机，以至玩具等等促进各业生产的自动化、信息化，提高了生产效率，提高了产品质量总之，微电子技术已成为影响国民经济发展的重要因素上世纪八十年代以来，全球半导体工业以年均15%以上的高速度增长，远远高于全球经济平均23%的年增长速度。,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.51-,硅器时代,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.52-,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.53-,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.54-,2000年：以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金”！我国以集成电路为基础信息产业迅猛发展，我们正在集成电路领域后来居上今后50100年，微电子技术仍会高速发展,1.5 微电子在国民经济中的重要地位,-1.55-,