微電子與集成電路設(shè)計導論-第一章-概論

微電子與集成電路設(shè)計導論Introductiontomicroelectronicsandintegratedcircuitdesign第一章概論Whatisit？1.1微電子學的概念

微電子的概念：微電子不是指微小的電子，而是指微型電子電路。（a）電力線路（b）電子電路（c）微電子電路特征尺寸：米特征尺寸：毫米特征尺寸：微米微電子學的概念：微電子學（Microelectronics）是電子學的一門分支學科，是研究集成電路設(shè)計、制造、測試、封裝等全過程的一門學科?；蛘哒f，主要是研究電子或離子在固體材料中的運動規(guī)律及其應用，并利用它實現(xiàn)信號處理功能的學科。目的：實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成。對應的行業(yè)：半導體行業(yè)，以半導體材料為加工對象。核心產(chǎn)品：集成電路（IntegratedCircuit，縮寫為IC）。集成電路的概念：通過一系列特定的加工工藝，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上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。集成電路發(fā)展：1946年，人類第一臺通用電子計算機ENIAC在美國賓夕法尼亞大學問世，里面的電路器件是以真空管為單位，共含有17468只電子管。體積非常龐大，長24米，寬6米，高2.5米，重30噸，根本無法攜帶，也不能完成現(xiàn)在的復雜運算的處理?，F(xiàn)在的計算機已經(jīng)發(fā)展到“掌上電腦”，更輕，更薄，尺寸已如一本書大小。微電子學的特點：基礎(chǔ)性集成性綜合性滲透性1.2微電子學的戰(zhàn)略地位

對國民經(jīng)濟的作用圖1.2.1國民經(jīng)濟的“食物鏈”關(guān)系示意圖市場銷售額（10億美元）市場銷售額（10億美元）手提數(shù)據(jù)通訊*630超薄顯示器*170個人電腦*470IC卡*165移動電話服務*380地面微波廣播*160CPU*300DNA生物芯片*160數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)品*270多用途通訊設(shè)備*155磁存儲*250半導體設(shè)備*150電子商務*250電力交通工具*150網(wǎng)絡信息服務*230墻壁式超薄電視*145高密度磁存儲*230移動電話*140系統(tǒng)集成芯片*210直接引入工具140家庭醫(yī)療設(shè)備*210ITS設(shè)備140互聯(lián)網(wǎng)*200DNA加工食品135有線電視*200液晶顯示器*120智能傳輸系統(tǒng)190仿制品115代理軟件*180燃油汽車110表1.2.1信息社會各市場領(lǐng)域的銷售額（單位：10億美元）對國家安全與國防建設(shè)的作用進入信息化社會后，微電子技術(shù)的主要產(chǎn)品集成電路成為武器的一個組成元，于是電子戰(zhàn)、智能武器應運而生。電子含量在各類武器裝備和國防建設(shè)上的比例對國家安全起著舉足輕重的作用。對信息社會的作用圖1.2.3信息社會各應用產(chǎn)品市場領(lǐng)域的銷售額對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的帶動作用微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用。幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春。對風機、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進行改造，每年即可節(jié)電500億度以上.和機械學科的結(jié)合，導致很多傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品逐步電子化。和生物學結(jié)合，生物芯片的誕生得以實現(xiàn)對細胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測?！?.3微電子學的發(fā)展歷史

晶體管的發(fā)展歷史：1833年英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)氧化銀的電阻率隨溫度升高而增加。1873年英國物理學家施密斯發(fā)現(xiàn)了晶體硒在光照射下電阻變小的光電導效應。1877年英國物理學家亞當斯發(fā)現(xiàn)的晶體硒與金屬接觸在光照射下產(chǎn)生電動勢的半導體光生伏特效應。1906年美國物理學家皮爾遜等人發(fā)現(xiàn)金屬與硅晶體接觸產(chǎn)生整流作用的半導體整流效應。1931年英國物理學家威爾遜提出了能帶理論。1939年肖特基提出并建立了解釋金屬-半導體接觸整流作用的理論，前蘇聯(lián)物理學家達維多夫也提出自己的金屬-半導體接觸整流作用的理論。1946年，世界上第一臺通用電子計算機ENIAC誕生，其中含有17468只電子管。（a）電子管（b）電子管存儲器圖1.3.1電子管照片圖1.3.2世上第一臺通用電子計算機照片1947年12月23日，由肖克萊，理論物理學家巴丁和實驗物理學家布拉頓組成的固體物理研究小組在對半導體特性研究的過程中發(fā)明了世界上第一只點接觸三極管，標志著電子技術(shù)從電子管時代進入了晶體管時代。集成電路的發(fā)展歷史：1952年5月，英國皇家研究所的達默第一次提出了集成電路的設(shè)想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比為首的研究小組和諾伊斯各自獨立地研制了世界上最早的集成電路，當時該電路是僅包含12個元件的混合集成電路。圖1.3.4世界上第一塊集成電路圖圖1.3.5第一個基于掩膜照相技術(shù)的平面工藝集成電路圖1.3.6收音機的發(fā)展歷程集成電路的出現(xiàn)使電子元器件和線路甚至整個系統(tǒng)向一體化的方向發(fā)展。圖1.3.7工藝里程碑集成電路的迅速發(fā)展，除了物理原理之外還得益于許多新工藝的發(fā)明。圖1.3.8摩爾定律示意圖1965年英特爾公司主要創(chuàng)始人摩爾提出了著名的“摩爾（Moore）定律”（Thenumberoftransistorperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month）。早期研制和生產(chǎn)的集成電路都是雙極型的。1930年，德國科學家Lilien-filed提出了關(guān)于MOS場效應晶體管的概念、工作原理以及具體的實施方案。1960年Kang和Atalla研制出第一個利用硅半導體材料制成的MOS晶體管。1962年以后出現(xiàn)了由金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應晶體管組成的MOS集成電路。1.4集成電路的分類

按器件結(jié)構(gòu)類型分類:雙極集成電路金屬-氧化物-半導體（MOS）集成電路雙極-MOS（BiMOS）集成電路雙極集成電路有源器件：雙極晶體管工作機理:依賴于電子和空穴兩種類型的載流子工作分類：NPN和PNP型雙極集成電路優(yōu)點：速度高、驅(qū)動能力強等金屬-氧化物-半導體（MOS）集成電路有源器件：MOS晶體管工作機理:主要靠半導體表面電場感應產(chǎn)生的導電溝道工作分類：NMOS、PMOS和CMOS（互補MOS）集成電路優(yōu)點：輸入阻抗高、抗干擾能力強、功耗?。s為雙極集成電路的1/10～1/100）、集成度高（適合于大規(guī)模集成）雙極-MOS（BiMOS）集成電路有源器件：同時包括雙極和MOS晶體管特點：綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜按集成電路規(guī)模分類:小規(guī)模集成電路（SmallScaleIC，簡稱SSI）中規(guī)模集成電路（MediumScaleIC，簡稱MSI）大規(guī)模集成電路（LargeScaleIC，簡稱LSI）超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIC，簡稱VLSI）特大規(guī)模集成電路（UltraLargeScaleIC，簡稱ULSI）巨大規(guī)模集成電路（GiganticScaleIC，簡稱GSI）類別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOSIC雙極ICSSI<102<100<30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107>2000>300ULSI107～109

GSI>109

按結(jié)構(gòu)形式的分類:單片集成電路：指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。不需外接元器件的集成電路。混合集成電路：指將多個半導體集成電路芯片或半導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)成一個完整的、更復雜的功能器件，作為一個整體使用。按電路功能分類:數(shù)字集成電路（DigitalID）：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。模擬集成電路（AnalogIC）：指處理模擬信號（連續(xù)變化的信號）的集成電路。數(shù)模混合集成電路（Digital-AnalogIC）：是既包含數(shù)字電路，又包含模擬電路的新型電路。按電路制作工藝不同分類:半導體集成電路：是采用半導體工藝技術(shù)，在硅基片上制作包括電阻、電容、三極管、二極管等元器件，并具有某種電路功能的集成電路。膜集成電路：是在玻璃或陶瓷片等絕緣物體上，以膜的形式制作電阻、電容等無源器件，并加以封裝而成?；旌霞呻娐罚涸趯嶋H應用中，多半是在無源膜電路上外加半導體集成電路或分立元件的二極管、三極管等有源器件，使之構(gòu)成一個整體，這便是混合集成電路。圖1.4.1集成電路的分類1.5微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

微電子產(chǎn)業(yè)具有“高投入、高產(chǎn)出”的特點。集成電路產(chǎn)業(yè)自誕生以來，產(chǎn)業(yè)鏈便一直處于不斷的裂變之中，與此同時，合作緊密的價值鏈逐漸形成。圖1.5.22014年全球IC前20強各個國家和地區(qū)中，北美地區(qū)產(chǎn)業(yè)具備雄厚基礎(chǔ)，綜合實力全球領(lǐng)先。歐洲地區(qū)整體依托大型企業(yè)，中小企業(yè)發(fā)展相對滯后。日本的競爭實力有所下降，企業(yè)在積極整合力求尋找突破。整個亞太地區(qū)，增速仍為全球之最，產(chǎn)業(yè)地位日漸重要。圖1.5.3我國IC設(shè)計企業(yè)的產(chǎn)品類型中國是全球最大的電子產(chǎn)品制造基地。但是與此巨大反差的是，中國自行設(shè)計生產(chǎn)的集成電路產(chǎn)品市場占有率很小。圖1.5.4國內(nèi)集成電路的供求關(guān)系圖1.5.5集成電路的進口量目前中國的集成電路產(chǎn)業(yè)還十分弱小，國內(nèi)的集成電路產(chǎn)能遠遠滿足不了國內(nèi)的集成電路需求。集成電路已連續(xù)多年成為最大宗的進口商品，與石油一起位列最大宗進口商品。巨大的市場缺口，既是壓力也是動力。我國的微電子技術(shù)的發(fā)展大致可以分為兩個階段：第一個階段：在2000年之前，1956年，北京大學、復旦大學、東北人民大學、廈門大學、南京大學在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導體專業(yè)。1977年在北京大學誕生了第一塊大規(guī)模集成電路。而在1980年以后，初步形成了制造業(yè)、設(shè)計業(yè)、封裝業(yè)分離的狀態(tài)。第二個階段：在2000年之后，國家發(fā)布了一系列的政策文件大力推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖1.5.6我國IC設(shè)計業(yè)產(chǎn)品應用領(lǐng)域2014年中國集成電路市場規(guī)模首次突破萬億級大關(guān)，約占全球市場份額的50%。產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，2001-2014年年均增長率達到23.8%。系統(tǒng)級芯片設(shè)計能力與國際先進水平的差距逐步縮小。集成電路封裝技術(shù)接近國際先進水平。部分關(guān)鍵裝備和材料實現(xiàn)從無到有，被國內(nèi)外生產(chǎn)線采用。我國集成電路的重要事件有：我國第一款商品化通用高性能CPU（中央處理器）芯片——“龍芯”系列CPU芯片，采用0.18微米工藝，包含近400萬個晶體管，主頻最高可達266MHz。鄧中翰在中關(guān)村注冊成立了“中星微電子有限公司”，研發(fā)“星光”系列芯片，并成功占領(lǐng)計算機圖像輸入芯片市場60%以上份額。復旦大學張衛(wèi)團隊2013年8月在美國《科學》雜志上發(fā)表論文，提出一種新的晶體管結(jié)構(gòu)，可以大幅度改善集成電路的性能。清華大學薛其坤院士團隊2013年3月在美國《科學》雜志上發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)。雖然國家在發(fā)布一系列的政策文件大力推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)，但微電子人才仍然是當今我國最緊缺的專業(yè)人才之一。由于起步較晚，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不夠雄厚，整體上中國在制造環(huán)節(jié)有優(yōu)勢，但在產(chǎn)業(yè)鏈上游的高端領(lǐng)域?qū)嵙Ρ容^弱。集成電路專業(yè)人才薪酬節(jié)節(jié)攀升，國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展對集成電路產(chǎn)品需求成倍增長，國家大基金帶動下產(chǎn)業(yè)生態(tài)在不斷完善。1.6微電子技術(shù)的發(fā)展

器件尺寸縮小到一定程度，一些偏離大尺寸器件的特性和寄生因素開始占主導地位，因此器件性能日益接近物理極限。圖1.6.2芯片制造費用示意圖為了解決這些問題都會使得工藝復雜性迅速增加，器件尺寸縮小、集成度增加都使得制造費用飛速上漲。產(chǎn)品的成品率問題也日益突出。圖1.6.3產(chǎn)品的成品率系統(tǒng)集成隨著工