微電子與電路基礎

微電子與電路基礎黃如

陳江北京大學信息科學技術學院1《微電子與電路基礎》課程簡介分立電路

集成電路?

課程目的?

課程內(nèi)容(課程提綱)?

講授方式?

參考書?

考核方法RuHuang,IME,PKU課程目的?

電路方面"初步掌握與電路相關的基礎知識、數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返然A知識?

微電子方面"了解什么是微電子學、歷史、現(xiàn)狀和未來；"初步掌握?半導體物理?半導體器件物理?集成電路工藝集成電路設計及設計自動化(EDA)技術?微機電系統(tǒng)技術等對微電子學有一個比較全面的初步認識RuHuang,IME,PKU課程內(nèi)容?

緒論?

半導體物理、半導體器件基礎半導體,晶體管,簡單集成電路?集成電路制造工藝?集成電路設計及其設計自動化?系統(tǒng)芯片和微機電系統(tǒng)MEMS?微電子技術發(fā)展的規(guī)律和趨勢?

線性電路?

模擬電路?

數(shù)字電路?

數(shù)?；旌想娐稲uHuang,IME,PKU課程進度?

ch1

緒論（1）?

ch2

半導體物理、半導體器件基礎（3）?

ch3

線性電路（2）"

無源元件：電阻、電容、電感、變壓器"

有源元件：電源和信號源、受控源等"

基本分析方法?

ch4

模擬電路(3)"

基本概念"

運算放大器"

收音機的原理框圖RuHuang,IME,PKU?ch5

數(shù)字電路(3)"

基本概念"

電子鐘、計算器的原理框圖?

ch6

數(shù)?；旌想娐?1)"

基本概念、手機的原理框圖集成電路?

ch7

集成電路制造工藝（3）?

ch8

集成電路設計及其設計自動化系統(tǒng)（4）?

ch9

系統(tǒng)芯片和微機電系統(tǒng)MEMS（1）?

ch10

微電子技術發(fā)展的規(guī)律和趨勢（1）RuHuang,IME,PKU授課、學生成績評定方法?

課堂講授為主?

學生成績評定方法：期末考試占70%，作業(yè)占30%。?

授課教師黃如

：理科2號樓2717室，Tel:

62757761huangr@陳江：chenj@RuHuang,IME,PKU?

助教"

殷?。簓injun@,62752546"

吳大可：wudk@,62752546?課程主頁"

/iMac?

參考書"《微電子學概論》，張興/黃如/劉曉彥,

北京大學出版社,

2000年1月"

《電路基礎》，陳江，講義，網(wǎng)上下載RuHuang,IME,PKU緒

論9緒

論?

電子學、微電子學、集成電路的基本概念?

集成電路的分類?

微電子學的基本特點?

電子技術、微電子技術的戰(zhàn)略地位?

微電子技術的發(fā)展歷史?

微電子技術的發(fā)展現(xiàn)狀"

我國微電子發(fā)展概況RuHuang,IME,PKU?

電子學(electronics)：研究用電子傳輸、存儲、處理信息的學科核心是電路?

分立電路：將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件在電路板上連接起來，實現(xiàn)一定的電路功能RuHuang,IME,PKU?微電子學：Microelectronics"微電子學——微型電子學RuHuang,IME,PKU電子學微電子學RuHuang,IME,PKU?微電子學核心——集成電路RuHuang,IME,PKU?集成電路：?IntegratedCircuit，縮寫IC"

將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上"通過一系列特定的加工工藝來集成"封裝在一個外殼內(nèi)"執(zhí)行特定電路功能RuHuang,IME,PKU封裝好的集成電路RuHuang,IME,PKU?微電子學"研究在固體（主要是半導體）材料上構成的微小型化器件、電路及系統(tǒng)的電子學分支學科"脫胎于電子學和固體物理學的邊緣性的技術學科RuHuang,IME,PKU集成電路?集成電路的內(nèi)部電路VddABOutRuHuang,IME,PKU硅單晶片與加工好的硅片硅片：wafer芯片：chip，dieRuHuang,IME,PKU集成電路芯片的顯微照片RuHuang,IME,PKUVss

poly

柵

Vdd

布線通道參考孔N+P+有源區(qū)集成電路的內(nèi)部單元RuHuang,IME,PKU溝道長度為0.15微米的晶體管微電子學中的空間尺度通常是以微米和納米為單位的RuHuang,IME,PKU30μm50μm100μ

m頭發(fā)絲粗細30~50μm(皮膚細胞的大小)1μm

×

1μm(晶體管的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較RuHuang,IME,PKURuHuang,IME,PKU?集成電路設計與制造的主要流程框架系統(tǒng)需求設計業(yè)制造業(yè)封裝測試業(yè)設計掩膜版芯片制造過程芯片檢測封裝

測試單晶、外延材料RuHuang,IME,PKU集成電路的設計過程：功能要求設計創(chuàng)意+仿真驗證行為設計（VHDL）否行為仿真是綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表否時序仿真是電路知識系統(tǒng)知識布局布線——版圖后仿真是否Sign

off—設計業(yè)—集成電路芯片設計過程框架RuHuang,IME,PKU芯片制造過程—制造業(yè)—RuHuang,IME,PKUAARuHuang,IME,PKU芯片制造過程—制造業(yè)—硅片由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝

光刻

蝕用掩膜版重復20-30次測試和封裝RuHuang,IME,PKUAAFab:cleanroomICP刻蝕機LPCVD系統(tǒng)LPCVD系統(tǒng)3180濺射系統(tǒng)RuHuang,IME,PKUIC

P刻蝕機RuHuang,IME,PKU芯片制造過程—制造業(yè)—RuHuang,IME,PKUAA封裝好的集成電路—封裝與測試業(yè)—RuHuang,IME,PKU集成電路的分類RuHuang,IME,PKU按器件結構類型分類按有源器件結構和工藝技術分類?雙極集成電路：雙極晶體管構成?金屬-氧化物-半導體(MOS)集成電路：MOS晶體管(單極晶體管)構成"NMOS"PMOS"CMOS(互補MOS)?雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路，綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜RuHuang,IME,PKURuHuang,IME,PKU按集成電路規(guī)模分類?小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)?中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)?大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)?超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)?特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)?巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）RuHuang,IME,PKU劃分集成電路規(guī)模的標準數(shù)字集成電路類

別模擬集成電路MOS

IC＜102雙極IC＜100SSIMSILSI＜3030～100100～300＞30010

～1032100～5003510

～10

500～200010

～10710

～109＞1095＞2000VLSIULSIGSI7RuHuang,IME,PKU按結構形式的分類?單片集成電路："電路中所有的元器件都制作在同一塊半導體基片上的集成電路"在半導體集成電路中最常用的半導體材料是硅，除此之外還有GaAs等?混合集成電路（二次集成IC）半導體芯片(集成電路、晶體管等)、片式無源元件(電阻、電容、電感、電位器等)集成在帶有互連金屬化層的絕緣基板(玻璃、陶瓷等)，構成更復雜的功能器件，封裝在管殼中，作為整體使用"厚膜集成電路：用絲網(wǎng)印刷方法涂敷漿料，形成電阻、互連線等"薄膜集成電路：用蒸發(fā)、濺射方法RuHuang,IME,PKU按電路功能分類?數(shù)字集成電路(DigitalIC)"

處理數(shù)字信號的集成電路?

采用二進制方式進行信息處理?模擬集成電路(AnalogIC)"

處理模擬信號的集成電路?

信號連續(xù)變化?數(shù)模混合集成電路(Digital-

AnalogIC)RuHuang,IME,PKU按電路應用范圍分?

通用集成電路"

CPU,存儲器?

專用集成電路"

針對特殊應用RuHuang,IME,PKU?集成電路芯片生產(chǎn)廠大致上可分為三類"通用電路生產(chǎn)廠，典型——生產(chǎn)存儲器和CPU，如韓國的廠家和INTEL"集成器件制造商(IDM—Integrated

Device

ManufactoryCo.),

產(chǎn)

品

主

要

用

于

自

己

的

整

機

和

系

統(tǒng)

，

如MOTOROLA、NEC"標準工藝加工廠或稱代客加工廠，即Foundry?Foundry名詞來源于加工廠的鑄造車間，無自己產(chǎn)品?

優(yōu)良的加工技術及優(yōu)質(zhì)的服務為客戶提供加工服務?客戶群初期多為沒有生產(chǎn)線的設計公司，但是隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)在許多IDM公司也將相當多的業(yè)務交給Foundry加工?Foundry做的最好是華人：TSMC、UMC、SMIC、CHARTERRuHuang,IME,PKU微電子學的特點RuHuang,IME,PKU?微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科"涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統(tǒng)計物理學"電子線路、信號處理"計算機輔助設計、圖論"材料科學"測試與加工"化學等多個學科?微電子學以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，實用性強。RuHuang,IME,PKU微電子學研究領域?

半導體材料?

半導體器件?

集成電路工藝?

集成電路設計:電路?

集成電路測試?

…RuHuang,IME,PKU微電子學發(fā)展的特點向高集成度、低功耗、高性能、高可靠電路方向發(fā)展與其它學科互相滲透，形成新的學科領域：光電集成、微機電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片系統(tǒng)芯片的發(fā)展納電子學的發(fā)展RuHuang,IME,PKU電子技術、微電子技術的戰(zhàn)略地位47(1)信息社會經(jīng)濟發(fā)展的基石(2)微電子技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用(3)微電子技術對國家安全與國防建設的關鍵作用RuHuang,IME,PKU信息社會發(fā)展的基石?

社會信息化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化?

實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡及其關鍵部件，不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是電子技術（系統(tǒng)）和微電子技術（微型化）RuHuang,IME,PKU?美國工程技術界評出的20世紀最偉大20項工程技術成就中第五項電子技術談到，“從真空管到半導體、集成電路已成為當代各行各業(yè)智能工作的基石”?集成電路大大改變了人類生產(chǎn)、生活、工作方式RuHuang,IME,PKU?知識經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)——微電子產(chǎn)業(yè)和科學技術對經(jīng)濟發(fā)展有著重要作用，成為一個國家和地區(qū)實力的重要標志"對國民經(jīng)濟的貢獻率：集成電路對國民經(jīng)濟的貢獻率遠高于其他門類的產(chǎn)品?以單位質(zhì)量鋼筋對GDP的貢獻為1計算小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，集成電路的貢獻率高達2000"有人認為誰控制了超大規(guī)模集成電路技術，誰就控制了世界產(chǎn)業(yè)RuHuang,IME,PKU集成電路對產(chǎn)業(yè)本身的影響很多IT企業(yè)利潤率較低?沒有微電子的電子工業(yè)只能是勞動密集型的組裝業(yè)?在國際分工中只能處于低附加值的低端?“中關村是硅谷，但是一個無“芯”的硅谷，產(chǎn)品不可能有競爭力?！?龍芯等自主知識產(chǎn)權的芯片的誕生改寫了我們“無芯”的歷史，有著重要意義?

集成電路芯片不是最終產(chǎn)品，必須與整機結合，與電子系統(tǒng)結合?

IC芯片是整機高附加值的倍增器RuHuang,IME,PKU微電子科學技術的發(fā)展歷史RuHuang,IME,PKU里程碑式的重大事件（1）晶體管的發(fā)明?1946年1月，Bell實驗室正式成立半導體研究小組,

W.

Schokley，J.

Bardeen、W.

H.Brattain?Bardeen提出了表面態(tài)理論，

Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設想，Brattain設計了實驗?1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管RuHuang,IME,PKU獲得1956年Nobel物理獎1947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲1956年諾貝爾物理獎RuHuang,IME,PKU里程碑式的重大事件（2）集成電路的發(fā)明?1952年5月，英國科學家G.

W.

A.

Dummer第一次提出了集成電路的設想：電子設備可以在一個固體塊上實現(xiàn)，不需外部引線?1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比(Clair

Kilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結果RuHuang,IME,PKU獲得2000年Nobel物理獎1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片相移振蕩和觸發(fā)器RuHuang,IME,PKU1959年第一塊單片集成電路，

Noyce在Si

襯

底

制

備

了

真

正

的

集

成

電

路，氧化物隔離，Al互聯(lián)RuHuang,IME,PKU微電子發(fā)展史上的幾個里程碑?平面加工工藝（光刻）的發(fā)明?

1960年

Bell實驗室的Kahng,Atalla——增強型MOSFET?1962年Wanlass、C.

T.

Sah——CMOS技術現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上?1967年Kahng、S.Sze

——非揮發(fā)存儲器?1968年Dennard——單晶體管DRAM?1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟?20世紀90年代銅互連技術的發(fā)明（IBM）RuHuang,IME,PKU第一個CPU：4004RuHuang,IME,PKUPentiumIIICPU芯片

RuHuang,IME,PKU微電子發(fā)展史上的幾個里程碑?平面加工工藝（光刻）的發(fā)明?

1960年

Kahng,Atalla——增強型MOSFET?1962年Wanlass、C.

T.

Sah——CMOS技術現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上?1967年Kahng、S.Sze

——非揮發(fā)存儲器?1968年Dennard——單晶體管DRAM?1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟?20世紀90年代銅互連技術的發(fā)明（IBM）RuHuang,IME,PKU銅互連技術的發(fā)明（IBM）RuHuang,IME,PKU集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術年

份1959251970-197120000.181.5比

率1403特

征

參

數(shù)設

計

規(guī)

則

μm85電

源

電

壓V

(伏

）5DD硅

片

直

徑

尺

寸（

mm）集

成

度5630300602×1032×1091G3×108DRAM

密

度

（

bit)1K10>10106微

處

理

器

時

鐘

頻率

(H

z)750K0.31G3平

均

晶

體

管

價

格

$1010-67按此比率下降，小汽車價格不到1美分集成度：每個芯片上集成的晶體管數(shù)目RuHuang,IME,PKUFromS.M.SZE微電子技術發(fā)展的ROADMAPIntel公司創(chuàng)始

人

之

一Gordon

E.Moore

博

士1965年總結的規(guī)律2被稱為摩爾定律集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小

倍。2RuHuang,IME,PKU工藝技術水平表征：特征尺寸?

MPU/ASIC:

柵長，多晶硅條pitch的一半?

DRAM：金屬線pitch的一半RuHuang,IME,PKU微電子技術發(fā)展現(xiàn)狀S=0.7?

0.18um,0.13um的工藝：主流工藝?

研究工作已經(jīng)進入到50納米量級RuHuang,IME,PKU?

集成電路發(fā)展趨勢：特征尺寸縮小、硅片尺寸增大"特征尺寸的縮小?

器件速度提高?

集成電路性能提高?芯片上集成器件數(shù)目增大，集成電路的功能提高"

硅片尺寸增大?

硅片上的芯片數(shù)目增大?

成本降低提高集成電路的性能價格比RuHuang,IME,PKUMoore定律??

性能價格比?

在過去的20年中，改進了1,000,000倍?

在今后的20年中，還將改進1,000,000倍RuHuang,IME,PKU我國微電子發(fā)展現(xiàn)狀RuHuang,IME,PKU我國微電子發(fā)展現(xiàn)狀?

2001年，國務院18號文和51號文《關于鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的若干政策》?

建立了7個IC產(chǎn)業(yè)化基地：北京、上海、深圳、西安、成都、無錫等?

建立5＋4個IC人才培養(yǎng)基地?

..….35003000中國集成電路產(chǎn)業(yè)的累計投資額2500今后8年2000今后3年近3年15001000500099年以前數(shù)據(jù)來源：徐小田1999200220052010RuHuang,IME,PKU?我國IC骨干企業(yè)目前分布情況"

上海"

北京"深圳"

成都"

西安"

….RuHuang,IME,PKU我國微電子發(fā)展現(xiàn)狀（制造業(yè)）?上海中芯國際（SMIC：SemiconductorManufactoryInternationalCorporation）："14.76億美元，8英寸，4.2萬片/月"提供加工服務（Foundry）"

2000年成立，2001年6月投產(chǎn)"

國內(nèi)第一個掌握0.13um至0.18μm

CMOS制造技術、實現(xiàn)8寸硅片量產(chǎn)的芯片公司"

2003年進入世界前五大Foundry之一RuHuang,IME,PKU?上海宏力"16.37億美元，8英寸，0.25微米，4萬片/月?上海貝嶺"6英寸，7.88億元，0.5~0.35微米數(shù)模混合集成電路，1.5萬片/月?華虹NEC：上海?

TSMC：上海嵩江?

UMC：蘇州?

封裝、測試公司?

SMIC天津（原MotorolaMOS17）