微電子學(xué)概論

25三月2024微電子學(xué)概論參考書《微電子學(xué)概論》張興，黃如，劉曉彥北京大學(xué)出版社，2000年1月《半導(dǎo)體器件物理與工藝》施敏科學(xué)出版社2本課程的目的什么是微電子學(xué)和微電子學(xué)是研究什么的對微電子學(xué)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來有一個比較清晰的認識。初步掌握半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝、集成電路設(shè)計、集成電路CAD方法、MEMS技術(shù)等基本概念，對微電子學(xué)的整體有一個比較全面的認識。3主要內(nèi)容

微電子技術(shù)簡介半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)集成電路制造工藝集成電路設(shè)計集成電路設(shè)計的CAD系統(tǒng)幾類重要的特種微電子器件微機電系統(tǒng)微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律和趨勢

4第一章微電子學(xué)發(fā)展史科學(xué)技術(shù)作為革命的力量，推動著社會向前發(fā)展。當(dāng)前，我們正經(jīng)歷著一場新的技術(shù)革命，雖然第三次技術(shù)革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技術(shù)和電子信息技術(shù)等等，但影響最大、滲透性最強、最具有新技術(shù)革命代表性的乃是以微電子技術(shù)為核心的電子信息技術(shù)。5第一章微電子學(xué)發(fā)展史微電子技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)是19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代期間建立起來的現(xiàn)代物理學(xué)。這期間的重要發(fā)現(xiàn)包括1895年德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線、1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性、1897年英國科學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子、1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳、1900年普朗克建立量子論、1905和1915年愛因斯坦提出的狹義相對論和廣義相對論等。6第一章微電子學(xué)發(fā)展史正是這一系列的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)揭示了微觀物理世界的基本規(guī)律，導(dǎo)致了海森伯、薛定格等建立起量子力學(xué)的理論體系，為現(xiàn)代電子信息技術(shù)革命奠定了理論基礎(chǔ)。7實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎(chǔ)都是微電子。1946年第一臺計算機：ENIAC這樣的計算機能夠進入辦公室、車間、連隊和家庭？當(dāng)時有的科學(xué)家認為全世界只要4臺ENIAC目前，全世界計算機不包括微機在內(nèi)有幾百萬臺，微機總量約6億臺，每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量81.1

晶體管的發(fā)明1833年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)氧化銀的電阻率隨溫度升高而增加。之后一些物理學(xué)家又先后發(fā)現(xiàn)了同晶體管有關(guān)的半導(dǎo)體的三個物理效應(yīng)，即晶體硒在光照射下電阻變小的光電導(dǎo)效應(yīng)、晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)和金屬與硅單晶接觸產(chǎn)生整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)。91.1

晶體管的發(fā)明1946年1月，Bell實驗室成立了固體物理研究小組。在系統(tǒng)的研究過程中，該小組成功提出了表面態(tài)理論，開辟了新的研究思路，兼之對電子運動規(guī)律的不斷探索，經(jīng)過無數(shù)次實驗，第一個點接觸型晶體管終于在1947年12月誕生。101.1

晶體管的發(fā)明首先，小組的領(lǐng)導(dǎo)人肖克萊提出了一個假說，認為半導(dǎo)體表面存在一個與表面俘獲電荷相等而符號相反的空間電荷層，使半導(dǎo)體表面與內(nèi)部體區(qū)形成一定的電勢差，該電勢差決定了半導(dǎo)體的整流功能；通過電場改變空間電荷區(qū)電荷會導(dǎo)致表面電流的改變，產(chǎn)生了放大作用。111.1

晶體管的發(fā)明小組對N和P型硅以及N型鍺的表面設(shè)計了一個類似光生伏特實驗的裝置，證實了肖克萊的半導(dǎo)體表面空間電荷假說以及電場效應(yīng)的預(yù)言。之后，小組人員把一片P型硅的表面處理成N型，滴上一滴水使之與表面接觸，在水滴中插入一個涂有蠟?zāi)さ慕饘籴?，在水與硅之間施加8MHz的電壓，從硅中流到針尖的電流被改變，從而實現(xiàn)了功率放大。121.1

晶體管的發(fā)明經(jīng)過改進，最后的結(jié)構(gòu)是在一個楔形的絕緣體上蒸金，然后用刀片將楔尖上的金劃開一條小縫，即將金分割成間距很小的兩個觸點，將該楔形體與鍺片接觸，在鍺片表面形成間距約為0.005cm的兩個接觸點，它們分別作為發(fā)射極和集電極，襯底作為基極，其具體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。13溝道長度為0.15微米的晶體管柵長為90納米的柵圖形照片141.1

晶體管的發(fā)明同年，肖克萊又提出了利用兩個P型層中間夾一N型層作為半導(dǎo)體放大結(jié)構(gòu)的設(shè)想，并于1950年發(fā)明了單晶鍺NPN結(jié)型晶體管。此后，結(jié)型晶體管基本上取代點接觸型晶體管。幾種不同類型的晶體管151.2集成電路的發(fā)展歷史集成電路（IntegratedCircuit，縮寫為IC）是指通過一系列特定的加工工藝，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(dǎo)體單晶片（如硅或GaAs等）或陶瓷等基片上，作為一個不可分割的整體執(zhí)行某一特定功能的電路組件。16

硅單晶片與加工好的硅片171958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎18封裝好的集成電路19集成電路芯片的顯微照片20集成電路的內(nèi)部單元211.2集成電路的發(fā)展歷史世界上第一塊集成電路是在鍺襯底上制作的相移振蕩和觸發(fā)器，共有12個器件。器件之間的隔離采用的是介質(zhì)隔離，即將制作器件的區(qū)域用黑蠟保護起來，之后通過選擇腐蝕在每個器件周圍腐蝕出溝槽，形成多個互不連通的小島，在每個小島上制作一個晶體管；器件之間互連線采用的是引線焊接的方法。221.2集成電路的發(fā)展歷史集成電路的迅速發(fā)展，除了物理原理之外還得益于許多新工藝的發(fā)明。重大的工藝發(fā)明主要包括：1950年美國人奧爾和肖克萊發(fā)明的離子注入工藝、1956年美國人富勒發(fā)明的擴散工藝、1960年盧爾發(fā)明的外延生長工藝、1970年斯皮勒發(fā)明的光刻工藝。這些關(guān)鍵工藝為晶體管從點接觸結(jié)構(gòu)向平面型結(jié)構(gòu)過渡并使其集成化提供了基本的技術(shù)支持。231.2集成電路的發(fā)展歷史從此，電子工業(yè)進入了IC時代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，集成電路已經(jīng)從最初的小規(guī)模發(fā)展到目前的巨大規(guī)模集成電路和系統(tǒng)芯片，單個電路芯片集成的元件數(shù)從當(dāng)時的十幾個發(fā)展到目前的幾億個甚至幾十億個。早期研制和生產(chǎn)的集成電路都是雙極型的。1962年以后又出現(xiàn)了由金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)晶體管組成的MOS集成電路。241.2集成電路的發(fā)展歷史實際上，遠在1930年，德國科學(xué)家Lilienfield就提出了關(guān)于MOS場效應(yīng)晶體管的概念、工作原理以及具體的實施方案，但由于當(dāng)時材料和工藝水平的限制，直到1960年，Kang和Atalla才研制出第一個利用硅半導(dǎo)體材料制成的MOS晶體管，從此MOS集成電路得到了迅速發(fā)展。251.2集成電路的發(fā)展歷史由于MOS集成電路具有功耗低、適合于大規(guī)模集成等優(yōu)點，MOS集成電路在整個集成電路領(lǐng)域中占的份額越來越大，已經(jīng)成為集成電路領(lǐng)域的主流。雖然雙極集成電路在總份額中占的比例在減少，但它的絕對份額依然在增加，在一些應(yīng)用領(lǐng)域中的作用短期內(nèi)也不會被MOS集成電路替代。261.2集成電路的發(fā)展歷史在早期的MOS技術(shù)中，鋁柵P溝MOS晶體管是最主要的技術(shù)。60年代后期，多晶硅取代Al成為MOS晶體管的柵材料。70年代中期，利用LOCOS隔離的NMOS（全部N溝MOS晶體管）集成電路開始商業(yè)化。由于NMOS器件具有可靠性好、制造成本低等特點，NMOS技術(shù)成為70年代MOS技術(shù)發(fā)展的主要推動力。271.2集成電路的發(fā)展歷史雖然早在1963年就提出CMOS工藝，并研制成功了CMOS集成電路，但由于工藝技術(shù)的限制，直到80年代CMOS才迅速成為超大規(guī)模集成（VLSI）電路的主流技術(shù)。由于CMOS具有功耗低、可靠性好、集成密度高等特點，目前CMOS已成為集成電路的主流工藝。281.3集成電路的分類集成電路的應(yīng)用范圍廣泛，門類繁多，其分類方法也多種多樣，其中常見的分類方法主要包括：按器件結(jié)構(gòu)類型、集成電路規(guī)模、使用的基片材料、電路功能以及應(yīng)用領(lǐng)域等進行分類。下面將簡要介紹按以上幾種常見的分類方法進行分類的結(jié)果。291.3.1按器件結(jié)構(gòu)類型分類根據(jù)集成電路中有源器件的結(jié)構(gòu)類型和工藝技術(shù)可以將集成電路分為三類：（1）雙極型集成電路（2）金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）集成電路（3）雙極-MOS（BiMOS）集成電路301.3.1按器件結(jié)構(gòu)類型分類（1）雙極集成電路：這種結(jié)構(gòu)的集成電路是半導(dǎo)體集成電路中最早出現(xiàn)的電路形式。這種電路采用的有源器件是雙極晶體管，這正是取名為雙極集成電路的原因。雙極晶體管是由于它的工作機制依賴于電子和空穴兩種類型的載流子而得名。311.3.1按器件結(jié)構(gòu)類型分類（2）金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）集成電路：這種電路中所用的晶體管為MOS晶體管，故取名為MOS集成電路。MOS晶體管是由金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成的場效應(yīng)晶體管，它主要靠半導(dǎo)體表面電場感應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)電溝道工作。321.3.1按器件結(jié)構(gòu)類型分類（3）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。BiMOS集成電路綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但這種電路具有制作工藝復(fù)雜的缺點。目前集成電路的主流技術(shù)仍然是CMOS技術(shù)。33雙極集成電路：主要由雙極晶體管構(gòu)成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構(gòu)成NMOSPMOSCMOS(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(fù)雜優(yōu)點是速度高、驅(qū)動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高1.3.1按器件結(jié)構(gòu)類型分類341.3.2按集成電路規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(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）351.3.2按集成電路規(guī)模分類361.3.3按結(jié)構(gòu)形式的分類（1）單片集成電路：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的集成電路。這是最常見的一種集成電路，在半導(dǎo)體集成電路中最常用的半導(dǎo)體材料是硅，除此之外，還有GaAs等半導(dǎo)體材料。371.3.3按結(jié)構(gòu)形式的分類（2）混合集成電路：是指將多個半導(dǎo)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(gòu)成功能器件，該功能器件最后被封裝在一個管殼中，作為一個整體使用。在混合集成電路中，主要由片式無源元件、半導(dǎo)體芯片、帶有互連金屬化層的絕緣基板以及封裝管殼組成。381.3.3按結(jié)構(gòu)形式的分類根據(jù)制作混合集成電路所采用的工藝，還可以將它分為厚膜和薄膜混合集成電路。在厚膜集成電路中，需要采用厚膜工藝在陶瓷板上制作電阻和互連線。厚膜工藝采用的主要材料是各種漿料，如氧化鈀-銀等電阻漿料、金或銅等金屬漿料以及作為隔離介質(zhì)的玻璃漿料等。391.3.3按結(jié)構(gòu)形式的分類各種漿料通過絲網(wǎng)印刷的方法涂敷到基板上，形成電阻或互連線圖形，圖形的形狀、尺寸和精度主要由絲網(wǎng)掩膜決定。每次完成漿料印刷后要進行干燥和燒結(jié)。薄膜集成電路是指利用薄膜工藝制作電阻、電容元件和金屬互連線。它采用的工藝主要有真空蒸發(fā)、濺射等，各種薄膜的圖形通常采用光刻、腐蝕等工序?qū)崿F(xiàn)。401.3.4按電路功能分類（1）數(shù)字集成電路（DigitalIC）：它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進制方式進行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路。由于這些電路都具有某種特定的邏輯功能，因此也稱它為邏輯電路。411.3.4按電路功能分類根據(jù)它們與輸入信號時序的關(guān)系，又可以將該類集成電路分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。前者的輸出結(jié)果只與當(dāng)前的輸入信號有關(guān)，例如反向器、與非門、或非門等都屬于組合邏輯電路；后者的輸出結(jié)果則不僅與當(dāng)前的輸入信號有關(guān)，而且還與以前的邏輯狀態(tài)有關(guān)，例如觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等就屬于時序邏輯電路。421.3.4按電路功能分類（2）模擬集成電路（AnalogIC）：它是指處理模擬信號（連續(xù)變化的信號）的集成電路。早期的模擬集成電路被稱為線性IC，直到后來又出現(xiàn)了振蕩器、定時器以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等許多非線性集成電路以后，才將這類電路叫做模擬集成電路。431.3.4按電路功能分類模擬集成電路又可以分為線性和非線性集成電路。線性集成電路又叫做放大集成電路，這是因為放大器的輸出信號電壓波形通常與輸入信號的波形相似，只是被放大了許多倍，它們兩者之間成線性關(guān)系。非線性集成電路則是指輸出信號與輸入信號成非線性關(guān)系的集成電路。441.3.4按電路功能分類（3）數(shù)?；旌霞呻娐罚―igital–AnalogIC）：既包含數(shù)字電路，又包含模擬電路的新型電路稱為數(shù)?；旌霞呻娐?。早期由于集成電路工藝和設(shè)計技術(shù)的限制，通常采用混合集成電路技術(shù)實現(xiàn)這種電路，直到70年代，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，才研制成功單片數(shù)?；旌霞呻娐?。451.3.4按電路功能分類最先發(fā)展起來的數(shù)?；旌想娐肥菙?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它主要用來連接電子系統(tǒng)中的數(shù)字部件和模擬部件，用以實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的相互轉(zhuǎn)換。因此它可以分為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器和模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器兩種。除此之外，數(shù)?；旌想娐愤€有電壓-頻率轉(zhuǎn)換器和頻率-電壓轉(zhuǎn)換器等等。461.3.5集成電路的分類小結(jié)集成電路是一種高速發(fā)展的技術(shù)，各種新型的集成電路層出不窮，這也是集成電路分類方法繁雜多樣的一個原因。為了使大家對這一節(jié)有一個更清晰的總體認識，我們將前面討論的幾種集成電路分類方法總結(jié)成圖1-3。471.3.5集成電路的分類小結(jié)按結(jié)構(gòu)分類按規(guī)模分類按功能分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類集成電路圖1-3集成電路的分類481.3.5集成電路的分類小結(jié)按結(jié)構(gòu)分類單片集成電路混合集成電路雙極型MOS型BiMOS型PMOSNMOSCMOSBiMOSBiCMOS厚膜混合集成電路薄膜混合集成電路491.3.5集成電路的分類小結(jié)按功能分類數(shù)字電路模擬電路數(shù)字模擬混合電路組合邏輯電路時序邏輯電路線性電路非線性電路501.4微電子學(xué)的特點微電子學(xué)是研究在固體（主要是半導(dǎo)體）材料上構(gòu)成的微小型化電路、子系統(tǒng)及系統(tǒng)的電子學(xué)分支