微电子学概论

nullnull*微电子学概论 北京大学参考书*参考书《微电子学概论》：张兴/黄如/刘晓彦，北京大学出版社，2000年1月 《半导体器件物理与工艺》，施敏，科学出版社本课程的目的*本课程的目的什么是微电子学和微电子学是研究什么的 对微电子学的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识 初步掌握半导体物理、半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、集成电路CAD方法、MEMS技术等基本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识主 要 内 容*主 要 内 容 微电子技术简介 半导体物理和器件物理基础 大规模集成电路基础 集成电路制造工艺 集成电路设计 集成电路设计的CAD系统 几类重要的特种微电子器件 微机电系统 微电子技术发展的规律和趋势 第一章 绪 论*第一章 绪 论绪 论*绪 论什么是微电子学 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null*电 子 学微电子学null*微电子学：Microelectronics 微电子学——微型电子学 核心——集成电路null*集成电路： Integrated Circuit，缩写IC 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null* 封装好的集成电路null*集成电路集成电路的内部电路null* 硅单晶片与加工好的硅片 null*集成电路芯片的显微照片null*64M SDRAM （华虹NEC生产） 芯片面积5.89×9.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管null*集成电路的内部单元null*沟道长度为0.15微米的晶体管null* 50m 100 m 头发丝粗细 30m1m  1m (晶体管的大小)30~50m (皮肤细胞的大小)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null*集成电路设计与制造的主要流程框架null* 集成电路 的设计过程： 设计创意 + 仿真验证—设计业—null*—制造业—芯片制造过程 AAnull*封装好的集成电路—封装与测试业—微电子科学技术的战略地位*微电子科学技术的战略地位微电子：信息社会发展的基石*自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。微电子：信息社会发展的基石null*实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子 1946年第一台计算机：ENIACnull*第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania 18,000个电子管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7minnull*实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子 1946年第一台计算机：ENIAC 这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量集成电路的作用*集成电路的作用小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低null* 集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系 进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%null*据美国半导体协会（SIA）预测2012年null*其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI） 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP） 一般有一个近似的关系 RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDPnull*根据IMF RIC≈1.7REI REI≈3RGNPnull*世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE商业部） 抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长null*1985-1990年间世界半导体商品市场份额日本公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均IC产值年增长率 人均电子工业年增长率 人均GNP年增长率 日本>美国 日本>美国 日本>美国2.2%1.1%0.1%80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。两个例子null*90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。null*我国台湾地区60年代后期人均GDP—200-300美元 （1967年为267美元）70-80年代大力发展集成电路产业90年代IT业高速发展97年人均GDP=13559美元null*  在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位null*我国IT企业与Intel公司利润的比较同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。null*如果我们不发展集成电路产业 IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。 当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。null*几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年) 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)微电子对传统产业的渗透与带动作用null*电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度 微电子对传统产业的渗透与带动作用null*没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷微电子对国家安全与国防建设的作用*微电子对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系 在农业社会：大刀长矛等冷兵器； 在工业化社会：枪、炮等热兵器 信息化社会： IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战null*微电子对国家安全与国防建设的作用微电子对信息社会的重要性*微电子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: 极其大量的各种信息 交易服务: 高可靠、高保密 ...… 计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”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：5万亿美元（Nikkei Business 1999）微电子产业的战略重要性null*微电子科学技术的 发展历史null*1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 获得1956年Nobel物理奖null*1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖微电子发展史上的几个里程碑*微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS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DRAM 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新null*第一个CPU：4004null*Pentium III CPU芯片null*不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力 集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律微电子发展的规律null* 基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术发展的ROADMAPnull*微处理器的性能100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo1970 1980 1990 2000 2010导入期Moore’s Law成熟期null*集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分From S.M.SZE集成电路市场和 产业结构的发展规律*集成电路市场和 产业结构的发展规律市场及其发展规律 产业格局与结构 Foundry建设null*30多年来，集成电路市场的成长迅速，基本上是一条指数发展规律。资料来源：WSTS. 00/5 制图:黄逸平、Mabel市场及其发展规律null* 同时，集成电路市场又是高度变动的,约十年为一个涨落周期。null*第一个周期(1975-1984，CAGR=20.4%): 电脑和消费类电子; 4和5 ; 产值在几百亿美元国防工业、工作站、大型 第二个周期(1985-1995，CAGR=20.8%): 中小型电脑、PC机；8  ；产值突破1000亿美元 第三个周期(1996-2005，CAGR=15.6%): 除PC机外，网络和通讯装备，特别是移动通讯装备; 8 和12 ; 产值3000亿美元null*1998-2003年世界及四大市场IC增长率和份额统计/预测表null*21世纪，要求移动处理信息，随时随地获取信息、处理信息成为把握先机而制胜的武器。 如果前20年PC是集成电路发展的驱动器的话，后20年除PC要继续发展外，主要驱动器应该是与Internet结合的可移动（Mobile)、袖珍的（Portable) 实时信息处理设备。 核心电路是数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor)产业格局与产业结构*产业格局与产业结构集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。 集成电路芯片价格：101 ~ 102美元 生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米） 要想赢利：年产量~108 集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值 决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即市场的需求null*集成电路芯片生产厂大致上可分为三类 通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU 集成器件制造商(IDM—Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系统 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工艺加工厂或称代客加工厂，即Foundry Foundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务 客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工null*资料来源： Digitimes整理 2000/ 制图：李柏毅、Mabel前两类厂家，IDM与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了Fabless Co. 和Foundry的出现。IP模块和Chipless Co.出现~ 19801980 ~ 1990集成电路设计滞后现象*集成电路设计滞后现象0.010.11101980198519901995200020052010微米芯片复杂度栅长58%/年20%/人年设计产率差距增大10G 1G 100M 10M 1M 100K 10K 1K集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率null*资料来源： Digitimes整理 2000/ 制图：李柏毅、Mabel前两类厂家，IDM与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和IP库）为接口，相对集中加工。这就导致了Fabless Co. 和Foundry的出现。IP模块和Chipless Co.出现IP：知识产权 (Intellectual Property)~ 19801980 ~ 1990null*Foundry功能要求行为级多工艺模块 p、DSP、E2PROM & Flash、A/D、D/AWafer级封装后 成品级逻辑级版图级MASK 研究开发支持 Foundry建设Foundry的建设必须采用系统工程的方法 基本特征：null*随技术进步，建厂费用呈指数增加，这时必然出现两种趋向： 各相关公司联合建厂 IBM、Infineon与UMC的联合 将更多业务交给Foundry，降低成本 Motorola已经表示到2001年，将有50%以上的产能需从外部提供 日本Kawasaki公司取消他们 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作null*null*因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest： 未来属于Foundrynull*我国微电子 发展概况我国微电子学的历史*我国微电子学的历史1956年5所学校在北大联合创建半导体专业 北京大学、复旦大学、东北人民大学、厦门大学、南京大学 1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路 我国微电子学的历史*我国微电子学的历史1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组 80年代：初步形成三业分离的状态 制造业 设计业 封装业我国年微电子发展展望*我国年微电子发展展望我国IC骨干企业地区分布及销售情况我国年微电子发展展望*我国年微电子发展展望上海IC产业发展战略目标 到2010年总投资量600亿美元，建成20 ~ 40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，成为第一大产业我国年微电子发展展望*我国年微电子发展展望北京 10 ~ 20条集成电路生产线 零地租 政府跟进投资 天津 深圳null*微电子：电子信息产业的核心和基础 我国微电子产业进入高速发展时期亿元年中国集成电路产业的累计投资额 数据来源：徐小田null* 未来十年将是我国微电子产业的黄金时期我国年微电子发展展望null*北京大学微电子研究院 简 介null*50年代，黄昆院士 中国第一个半导体专门化70年代，王阳元院士 中国第一块硅栅N沟道1K MOS DRAM自80年代以来，很大的发展2001年国家重点学科评审：100分北京大学 中国微电子的起源地和摇篮之一北京大学微电子所概况*北京大学微电子所概况北京大学微电子所 前身是1956年黄昆院士领导下的我国第一个半导体专门化 1978年成立微电子学研究室 1986年成立微电子所 2002年成立微电子学系/微电子学研究院null*学位授予权情况 学士学位：微电子学 硕士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统 博士学位：微电子学与固体电子学，电路与系统 博士后流动站：微电子学与固体电子学 工程硕士学位：集成电路工程null*北京大学微电子所概况*北京大学微电子所概况教师 中国科学院院士：1人(王阳元院士) 博士生导师：12人 教授：15人 拥有博士学位人员：36人 学生 博士研究生：20 人/年 硕士研究生：45 人/年 工程硕士：30人 本科生：65人/年北大微电子所的研究基地建设*北大微电子所的研究基地建设微米纳米加工技术国家级重点实验室 微电子新工艺新器件新结构电路国家计委专项实验室 北京市软硬件协同设计高科技重点实验室null*ICP刻蚀机LPCVD系统 双面光刻/键合系统null*新工艺新器件结构电路国家专项实验室null*null* 应用开发 关键技术 基础研究 超深亚微米/纳米新器件及集成技术 SOC设计方法学及ASIC设计 MEMS技术CMOS/SOI新器件 深亚微米器件电路EDA技术 深亚微米MOS器件失效 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 与表征技术 GeSi/Si HBT器件系统芯片中新器件新工艺基础研究 亚50纳米器件机理、模型、结构和工艺 纳米电子器件物理SIMOX材料 CMOS/SOI电路 GeSi/Si分频器SOC设计方法学 基于NP难解问题的器件参数提取嵌入式微处理器(8、16位) 建库技术、IP库建立 嵌入式芯片设计技术 射频器件和电路安全保密芯片 红外焦平面读出芯片 机顶盒芯片微系统设计方法、建模、数据库和仿真 三维加工、材料、封装组装和可靠性研究传感MEMS器件 信息MEMS器件 生物MEMS器件与IC的兼容设计 MEMS工艺标准化 MEMS封装技术超深亚微米/纳米 新器件及集成技术*超深亚微米/纳米 新器件及集成技术北大微电子所牵头的973项目*北大微电子所牵头的973项目系统芯片中新器件新工艺基础研究 北京大学 清华大学 中国科学院微电子中心 中国科学院半导体所 中国科学院上海微系统与信息技术研究所null*亚100纳米半导体器件研究(973) 新型器件结构 新型器件模型、模拟以及模拟软件开发 高k介质、金属栅电极新型栅结构 器件可靠性 新型半导体器件 SOI器件 GeSi/Si、GeSiC/Si HBT器件 FeRAM 新型半导体器件工艺模块 超微细加工技术 超浅结工艺 SALICIDE工艺 超薄栅介质制备技术null*84.6nm线条null*30纳米线条的SEM照片 40纳米线条的SEM照片 null*CMOS/SOI工艺已在多家单位推广应用CMOS/SOI工艺模块及门阵列电路null*创建了比例差值算符的新概念，在国际上首先实现了对新生缺陷的在线检测及参数提取 开发了小尺寸器件可靠性测试系统BC2931A 已用于0.25微米器件寿命的预测小尺寸MOS器件寿命预测机理及设备超深亚微米/纳米器件和电路仿真工具*亚100纳米MOS器件模拟软件 超低能离子注入工艺模拟软件 CMOS/SOI电路模拟软件 已经销售或推广到多家单位超深亚微米/纳米器件和电路仿真工具系统集成芯片(SOC)及专用集成电路(ASIC)设计*系统集成芯片(SOC)及专用集成电路(ASIC)设计null*SOC设计方法学 软硬件协同设计理论 参数提取(973) 建库技术 IP库(863) 嵌入式微处理器核 专用集成电路设计 信息安全芯片 红外焦平面驱动电路null*嵌入式微处理器16位可裁剪的RISC微处理器PKUEP 指令集与ARM7的THUMB指令集兼容，指令功能齐全、代码密度大的特点 三级流水设计 0.8微米工艺，71000个晶体管 嵌入式微处理器*嵌入式微处理器与ARM7TDMI指令集兼容微处理器PKURS-001 与ARM7TDMI的ARM和THUMB指令集全兼容 重新设计自主版权的体系结构 采用RTL级设计和晶体管级设计相结合的方式 面向国内工艺 红外焦平面读出电路*红外焦平面读出电路第一代：小批量生产 第二代：130130， 6464两种 采用有源阵列，SCA，DO结构 全画面30桢/sec，功耗小于30微瓦 已通过用户测试 第三代：256320，已完成实验电路的设计微机电系统(MEMS) 技 术*微机电系统(MEMS) 技 术null*MEMS EDA技术 建立体硅和表面硅MEMS加工技术 四套完整的MEMS工艺 工艺标准化 多用户系统 开发新的MEMS加工技术 硅帽封装技术 体硅隔离技术 三维刻蚀技术 开发新型MEMS器件和系统 传感MEMS器件：加速度计、陀螺、气体敏感器件 信息MEMS器件：RF器件、光开关 生物MEMS器件null*MEMS加工工艺：刻蚀得到的部分图形null*利用牺牲层工艺得到的 谐振器图形硅/硅键合样品MEMS加工工艺null*应用情况 多种体硅加速度计 横向式体硅陀螺 微机械开关 微机械可变电容 微型气体传感器 微机械光开关 表面微机械加速度计 微流体器件 压力传感器 提供ANSYS仿真服务设计完成的MEMS器件MEMS与IC兼容设计平台null*微加速度计单悬臂梁加速度计 抗冲击加速度计 三维压阻、电容式加速度计 抗冲击能力12000g微机械光开关*已开发出22光开关阵列 表面微加工与体硅微加工相结合，并利用三维刻蚀技术，克服了二者的不足 采用扭转结构，不会发生磨损 容易扩展到NN开关阵列 弹性夹紧结构，易于组装微机械光开关null*RF MEMS器件 移动通信（手机、程控交换机） 器件研究 可变电容 大的初始电容和电容调节范围 --0.164PF 高Q值-->60 利用机械定位结构防止机械噪声和电噪声MEMS领域微继电器*工艺和结构简单易控，容易形成阵列 可以在高频开关电压下工作>20KHz 接触电阻小于1欧姆 容易实现双稳态结构 有实用前景微继电器集成电路分类*集成电路分类集成电路分类*集成电路分类集成电路的分类 器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域按器件结构类型分类*按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高null*按集成电路规模分类*按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(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) 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）null*null* 基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术发展的ROADMAP按结构形式的分类*按结构形式的分类单片集成电路： 它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 在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等 混 合集 初级电工基础知识现场安全隐患查找图现观庄严论民国老课本梁冬对话王东岳 成电路： 厚膜集成电路 薄膜集成电路按电路功能分类*按电路功能分类数字集成电路(Digital IC)：它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 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路 线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等null*集成电路的分类微电子的特点*微电子的特点微电子学：电子学的一门分支学科 微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。 微电子学中的空间尺度通常是以微米(m, 1m＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。 微电子学是信息领域的重要基础学科微电子的特点*微电子的特点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、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科 微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等null*结束语结束语*结束语5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代 ~ 35000年铜器时代 ~ 1800年铁器时代 ~ 3200年硅器时代 XX 年？3000BC 1200BC 1968null*结束语*结束语2000年：以集成电路为基础的电子信息产业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” 采取正确的战略，就可以在集成电路领域就有可能后来居上 至少在今后50年，微电子技术仍会高速发展null*谢 谢重 点*重 点基本概念 微电子、集成电路、集成度 微电子的战略地位 对人类社会的巨大作用 集成电路的几种主要分类方法 按器件类型 按规模 一些英文缩写词 IC、VLSI、ULSI等作 业*作 业简单叙述微电子学对人类社会的作用 解释微电子学、集成电路的概念 列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用null 半导体及其基本特性 北京大学null固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制null1. 半导体的结构原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构null半导体的结合和晶体结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnSnull2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ninull电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位null3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)量子态和能级 固体的能带结构 原子能级 能带null共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态原 子 能 级 反 成 键 态 成 键 态null价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导 带价 带Egnull半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子 有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*null4.半导体的掺杂 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂null施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的Bnull施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态null本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度 电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 pnull6. 非本征半导体的载流子在非本征情形: 热平衡时:N型半导体：n大于p P型半导体：p大于nnull多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子null7. 电中性条件: 正负电荷之和为0p + Nd – n – Na = 0施主和受主可以相互补偿p = n + Na – Nd n = p + Nd – Nanulln型半导体：电子 n  Nd 空穴 p  ni2/Nd p型半导体：空穴 p  Na 电子 n  ni2/Nanull8. 过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合null9. 载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动 引 入 迁 移 率 的 概 念 影 响 迁 移 率 的 因 素null影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和 掺杂浓度半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射null扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动null过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2null描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯， 静电势增加null特例： 均匀Si中，无外加偏压时， 方程RHS＝0， 静电势为常数null 电流连续方程 可动载流子的守恒热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2电子：空穴null 电流密度方程 载流子的输运方程在漂移－扩散模型中方程形式1null方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势重 点重 点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合作 业 作 业 载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。半导体器件物理基础 北京大学半导体器件物理基础 北京大学null据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格半导体器件物理基础nullPN结的结构null1. PN结的形成null2. 平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势null费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央null自建势qVbi平衡时的能带结构null3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NPnull正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕null4. PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NPnull反向电流反向偏置时，漂移大于扩散null5. PN结的特性单向导电性： 正向偏置 反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrbnull6. PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7. PN结电容null§ 2.4 双极晶体管1. 双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极null双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNPnull双极晶体管的结构和版图示意图nullnull2.3 NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布nullNPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换null2.3 NPN晶体管的几种组态共基极 共发射极 共收集极null3. 晶体管的直流特性3.1 共发射极的直流特性曲线三个区域： 饱和区 放大区 截止区null3. 晶体管的直流特性3.2 共基极的直流特性曲线null4. 晶体管的特性参数4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、 null4. 晶体管的特性参数4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一null4. 晶体管的特性参数 （续）4.3 晶体管的击穿电压BVcbo Bvceo BVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一null4. 晶体管的特性参数 （续）4.4 晶体管的频率特性截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值截止频率f  ：特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率null5. BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路null输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导null缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IBnull当代BJT结构特点： 深槽隔离 多晶硅发射极null§ 2.5 MOS场效应晶体管 MOS电容结构 MOSFET 器件null1. MOS 电容电容的含义 MOS结构 理想的MOS电容特性 非理想的MOS电容特性null关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率直流和交流时均成立null一 MOS结构交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关 这里理想指电容中没有能量的耗散： 1、忽略金属引线的电阻（超导线〕 2、介质层不吸收能量null非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板 电容器形 式一样+-VP+Nxd偏压改变Vnull未加偏压时的MOS结构MOS 电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图null 功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲null 平带电压平带电压－－使表面势为0，所需在栅上加的偏压。null施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型null施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型null施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型null施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型nullMOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET）金属－半导体场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应 晶体管（MOSFET）nullnullnullnullnullnull转移特性曲线提取阈值电压 研究亚阈特性null长沟MOSFET的输出特性null亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势作业作业描述二极管的工作机理 讨论PMOS晶体管的工作原理 大规模集成电路基础北京大学大规模集成电路基础null3. 1半导体集成电路概述集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer）集成电路的成品率：成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要null集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路的性能指标： 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积功耗 延迟积null集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.25~0.18mm 增大硅片：8英寸~12英寸亚0.1mm：一系列的挑战， 亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术： EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-raynull集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装null集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门 模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等null3.2 双极集成电路基础有源元件：双极晶体管 无源元件：电阻、电容、电感等nullnull双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型： 电阻-晶体管逻辑 (RTL) 二极管-晶体管逻辑 (DTL) 晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 集成注入逻辑 (I2L) 发射极耦合逻辑 (ECL) null双极模拟集成电路一般分为： 线性电路（输入与输出呈线性关系） 非线性电路 接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等null3.3 MOS集成电路基础基本电路结构：MOS器件结构null基本电路结构：CMOSnull基本电路结构：CMOSnullnullMOS集成电路 数字集成电路、模拟集成电路MOS 数字集成电路基本电路单元： CMOS开关 CMOS反相器CMOS开关WWnullVDDINOUTCMOS反相器VDDYA1A2与非门：Y=A1A2null3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势有源器件 无源器件 隔离区 互连线 钝化保护层 寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感null3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟： 迁移率 沟道长度电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积）途径： 提高迁移率，如GeSi材料 减小沟道长度互连的类别： 芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global) 中等线互连 短线互连(Local)null门延迟时间与沟到长度的关系nullnull减小互连的途径： 增加互连层数 增大互连线截面 Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM） 系统芯片（System on a chip）减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOCnull集成电路芯片中金属互连线所占的面积与电路规模的关系曲线 null互连线宽与互连线延迟的关系null互连技术与器件特征尺寸的缩小 （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998） null集成电路中的材料null小结：Bipolar：小结：Bipolar：基区(Base)，基区宽度Wb 发射区(Emitter) 收集区(Collector) NPN，PNP 共发射极特性曲线 放大倍数、 特征频率fTnull小结：MOS沟道区(Channel)，沟道长度L，沟道宽度W 栅极(Gate) 源区/源极(Source) 漏区/漏极(Drain) NMOS、PMOS、CMOS 阈值电压Vt，击穿电压 特性曲线、转移特性曲线 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)null小结：器件结构双极器件的纵向截面结构、俯视结构 CMOS器件的纵向截面结构、俯视结构 CMOS反相器的工作原理 IC：有源器件、无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层作 业作 业画出CMOS反相器的截面图和俯视图 画出双极晶体管的截面图和俯视图null集成电路制造工艺 北京大学null集成电路设计与制造的主要流程框架null 集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证—设计业—null—制造业—芯片制造过程 null集成电路芯片的显微照片null集成电路的内部单元(俯视图)null沟道长度为0.15微米的晶体管null 50m 100 m 头发丝粗细 30m1m  1m (晶体管的大小)30~50m (皮肤细胞的大小)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nullN沟道MOS晶体管nullCMOS集成电路(互补型MOS集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的95%以上。null集成电路制造工艺集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等 制膜：制作各种材料的薄膜图形转换：光刻图形转换：光刻光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条null正胶：曝光后可溶 负胶：曝光后不可溶图形转换：光刻图形转换：光刻几种常见的光刻方法 接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式null三种光刻方式图形转换：光刻图形转换：光刻超细线条光刻技术 甚远紫外线(EUV) 电子束光刻 X射线 离子束光刻图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法 干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿法腐蚀： 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀 优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低 缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术杂质掺杂杂质掺杂掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅 掺杂工艺：扩散、离子注入扩 散扩 散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： Ⅲ、Ⅴ族元素 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙： Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级null杂质横向扩散示意图null固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等null利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 掺杂的均匀性好 温度低：小于600℃ 可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂null离子注入系统的原理示意图null离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退 火退 火退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用 消除损伤 退火方式： 炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非