《微電子學(xué)概論》PPT課件

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1、微電子學(xué)概論 32學(xué)時(shí)概論：對(duì)微電子學(xué)概括介紹對(duì)象：工科非微電子專(zhuān)業(yè)本科生目的：提供對(duì)于微電子學(xué)的全面了解，在某些興趣點(diǎn)上有所深入，幫助學(xué)生建立起將來(lái)從事微電子或與微電子有關(guān)的事業(yè)的基礎(chǔ)基礎(chǔ)課程：大學(xué)物理（普通物理學(xué)），基礎(chǔ)電工、電路類(lèi)課程授課：清華大學(xué)微電子學(xué)研究所嚴(yán)利人- 1.01 - 教材：以電子教案為主，補(bǔ)充其他內(nèi)容課程參考書(shū)目：嚴(yán)利人等，微電子制造技術(shù)概論朱正涌，半導(dǎo)體集成電路楊之廉，集成電路導(dǎo)論西安電子科技大學(xué)，微電子技術(shù)概論- 1.02 - 與微電子密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)（鏈）為IC制造業(yè)服務(wù)的行業(yè)：設(shè)備，材料，IC設(shè)計(jì)IC制造業(yè)廣泛應(yīng)用IC的工業(yè)部門(mén)：電子信息，計(jì)算機(jī)，幾乎各行各業(yè)*特

2、殊元器件，MEMS，BioChips，液晶等課程主線索半導(dǎo)體材料器件工作機(jī)理基本電子器件與電路單元集成工藝集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)- 1.03 - 課程主線索從基本的材料介紹（固體物理；晶體學(xué)）講起，循序漸進(jìn)地講解：用半導(dǎo)體材料來(lái)制作最簡(jiǎn)單的電子器件電阻，的原理（半導(dǎo)體物理）；更復(fù)雜一些的電子器件，PN結(jié)（二極管）、雙極晶體管、MOS晶體管，的工作機(jī)理與器件結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體器件物理）；用上述基本材料構(gòu)建的數(shù)字/模擬電路模塊的方法技術(shù)（數(shù)字集成電路；模擬集成電路）；制造所有以上這些器件的工藝技術(shù)與集成制造技術(shù)（集成電路工藝）；以及最后介紹的IC設(shè)計(jì)技術(shù)（器件設(shè)計(jì)；工藝設(shè)計(jì)；IC電路設(shè)計(jì)）- 1.04 - 根

3、據(jù)課程主線索 第一章，概述（2學(xué)時(shí)） 第二章，晶體管基本原理（8學(xué)時(shí)） 第三章，基本電路模塊（6學(xué)時(shí)） 第四章，集成電路制造技術(shù)（10學(xué)時(shí)） 第五章，微電子設(shè)計(jì)技術(shù)（4學(xué)時(shí)） 第六章，微電子技術(shù)的發(fā)展與展望（2學(xué)時(shí)）強(qiáng)調(diào)一定的自學(xué)與課堂筆記，講課內(nèi)容與講義略有出入- 1.05 - 第一章 概述1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況 1.2 微電子發(fā)展歷史1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路1.4 微電子元器件的分類(lèi)1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.06 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況總體趨勢(shì)（本節(jié)的介紹資料，主要來(lái)自于ITRS2003）- 1.07 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況總體趨勢(shì)- 1.08 - 1.

4、1 IC產(chǎn)業(yè)的概況總體趨勢(shì)- 1.09 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.10 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.11 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.12 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.13 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.14 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)力- 1.15 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況無(wú)線應(yīng)用- 1.16 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況設(shè)計(jì)技術(shù)- 1.17 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況設(shè)計(jì)技術(shù)- 1.18 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況前道工藝技術(shù)- 1.19 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況光刻技術(shù)- 1.20 -

5、1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況ASSEMBLY AND PACKAGINGEMERGING RESEARCH DEVICESENVIRONMENT, SAFETY, AND HEALTHFACTORY INTEGRATIONINTERCONNECTMETROLOGYMODELING AND SIMULATIONPROCESS INTEGRATION, DEVICES, AND STRUCTURESTEST AND TEST EQUIPMENT YIELD ENHANCEMENT - 1.21 - 1.1 IC產(chǎn)業(yè)的概況在2006年中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了65nm代工（TSMC）集成電路材料：Si，GaAs，Si

6、Ge，InP，SOI，應(yīng)變Si工藝氣體，化學(xué)藥品，耗材：SHIPLEY，F(xiàn)UJI設(shè)備：AM，ASM，ASML，Varian，Novellus，Lamb，TEL，Nikon，Canon設(shè)計(jì)：Synopsis，Cadence工藝研發(fā)：IMEC；SUPREM，（DEVICE）潔凈技術(shù)，廠房技術(shù)，工廠控制，先進(jìn)制造：BROOKSIC（SOC）設(shè)計(jì)與應(yīng)用國(guó)內(nèi)IC制造廠：SIMC，和艦，宏力，華宏NEC，SGNEC- 1.22 - 1.2 微電子發(fā)展歷史- 1.23 - 1.2 微電子發(fā)展歷史1947年12月23日第一個(gè)晶體管NPN G e晶體管Bell實(shí)驗(yàn)室： W. Schokley J. Bardee

7、n W. H . Brattain - 1.24 - 1959年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個(gè)器件，G e晶片 1.2 微電子發(fā)展歷史- 1.25 - 1962年，Wanlass、C. T. SahCMOS技術(shù)，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(chǔ)器1968年，Dennard單晶體管DRAM1971年，Intel公司微處理器計(jì)算機(jī)的心臟1.2 微電子發(fā)展歷史- 1.26 - 1.2 微電子發(fā)展歷史1971年，第一個(gè)CPU：4004 10微米的工藝，2300個(gè)晶體管1999年，Pentium III CPU芯片0.25微米工藝，2800萬(wàn)個(gè)

8、晶體管- 1.28 - 1.2 微電子發(fā)展歷史- 1.28 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路集成電路：通過(guò)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(wú)源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能- 1.29 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路硅晶柱切割后的硅晶圓加工后的硅片電子產(chǎn)品- 1.30 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路- 1.31 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路- 1.32 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路64M SDRAM （華虹NEC生產(chǎn)）芯片面積5.899.7=

9、57mm 2 ，456pcs/w，1個(gè)IC中含有1.34億只晶體管 - 1.33 - Vss poly柵Vdd布線通道參考孔 有源區(qū)N+ P+ 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路- 1.34 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路- 1.35 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路集成電路集成電路的內(nèi)部電路VddA B Out - 1.36 - 1.3 微電子學(xué)的主要成果集成電路- 1.37 - 混合集成電路 將電阻、電容、連線做在陶瓷基片上，再貼裝上半導(dǎo)體器件或電路。厚膜電路用印刷的方法做薄膜電路用半導(dǎo)體工藝做（淀積、光刻等）單片集成電路 將所有的元器件和連線都做在一個(gè)半導(dǎo)體基片上單片集成電

10、路具有顯著優(yōu)勢(shì)體積小、速度高、功耗小、生產(chǎn)率高混合集成仍有市場(chǎng)工藝難度小，設(shè)計(jì)靈活，開(kāi)發(fā)快，特別在大功率、高頻電路方面1.4 微電子元器件的分類(lèi)按集成的形式分：- 1.38 - 小規(guī)模集成電路(Small Scale IC，SSI)中規(guī)模集成電路(Medium Scale IC，MSI)大規(guī)模集成電路(Large Scale IC，LSI)超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale IC，VLSI:105)特大規(guī)模集成電路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale IC，GSI)1.4 微電子元器件的分類(lèi)按集成度分：- 1.39

11、 - 劃分集成電路規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字集成電路 類(lèi) 別 MOS IC 雙極IC 模擬集成電路 SSI 102 100 30 MSI 102103 100500 30100 LSI 10 3105 5002000 100300 VLSI 105107 2000 300 ULSI 10 7109 G SI 109 1.4 微電子元器件的分類(lèi)按集成度分：- 1.40 - 雙極型電路基本器件為NPN/PNP晶體管（Bipolar）特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作速度高，但功耗較大 MOS電路基本器件為MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）特點(diǎn)：器件尺寸小，單元電路簡(jiǎn)單，功耗低，但外驅(qū)動(dòng)能力較差又分為NMOS、PMOS與

12、CMOS，主流為CMOS BiMOS將Bipolar和MOS做在一起，兼顧二者優(yōu)點(diǎn)，但制作工藝復(fù)雜1.4 微電子元器件的分類(lèi)按器件的工藝結(jié)構(gòu)分：- 1.41 - 數(shù)字電路數(shù)字信號(hào)，“1”、“0”，占IC絕大多數(shù)，元器件參數(shù)精度要求不高模擬電路模擬信號(hào)，大小連續(xù)變化，也稱(chēng)線性電路，例如運(yùn)算放大器元器件參數(shù)精度要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)與制作比數(shù)字電路難得多（同等規(guī)模下）數(shù)?；旌弦粋€(gè)重要的發(fā)展方向（隨集成規(guī)模的加大）1.4 微電子元器件的分類(lèi)按所處理的信號(hào)分：- 1.42 - 邏輯電路 進(jìn)行數(shù)字信息的運(yùn)算、處理，包括：計(jì)算與控制電路，如CPU(Central Processing Unit)，MCU(Micr

13、o- Control Unit)實(shí)時(shí)信息處理電路，如音像DSP(Digital Signal Processing)各種通用數(shù)字電路，如門(mén)、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)顯電路存儲(chǔ)器電路 存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的數(shù)字信息，包括：移位寄存器（SR）隨機(jī)存儲(chǔ)器：DRAM（動(dòng)態(tài)），SRAM（靜態(tài)）只讀存儲(chǔ)器：ROM，PROM（可編程），E 2PROM（電可擦寫(xiě)）新型存儲(chǔ)器：Flash Memory，F(xiàn)RAM，MRAM 1.4 微電子元器件的分類(lèi)數(shù)字電路中，按功能分：- 1.43 - 1.4 微電子元器件的分類(lèi)根據(jù)應(yīng)用的普遍性或特殊性，按IC不同的生成模式劃分：通用集成電路（標(biāo)準(zhǔn)IC）如CPU，存

14、儲(chǔ)電路等用量大，由芯片廠精心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，以保證最好性能、最低成本、最大效益專(zhuān)用電路ASIC(Application Specific IC)按用戶(hù)的特殊要求設(shè)計(jì)，品種繁多用戶(hù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司（Fabless Company）設(shè)計(jì)，由專(zhuān)業(yè)芯片加工廠（Foundry）加工這要求工藝標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)計(jì)自動(dòng)化 八十年代中期得到相當(dāng)程度實(shí)現(xiàn)- 1.44 - 全客戶(hù)（Full Customer）電路 設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)IC沒(méi)什么不同半客戶(hù)（Semi Customer）電路 在芯片廠半成品的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)門(mén)陣電路 標(biāo)準(zhǔn)基片，主要由相同的基本門(mén)結(jié)構(gòu)組成，用戶(hù)設(shè)計(jì)布線優(yōu)點(diǎn)：專(zhuān)用工藝流程短，開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)成本低缺點(diǎn)：芯片面積大，性能

15、損失大標(biāo)準(zhǔn)單元電路 無(wú)基片，只有成熟的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)庫(kù)特點(diǎn)：芯片面積、性能損失較小，但開(kāi)發(fā)成本大、周期長(zhǎng)半客戶(hù)電路與通用電路生產(chǎn)模式有明顯區(qū)別，而全客戶(hù)電路與通用電路沒(méi)有明顯界限，批量增大，用戶(hù)增多時(shí)，也 可成為通用電路，例如VCD電路。 - 1.45 - 1.4 微電子元器件的分類(lèi)特殊應(yīng)用元器件和新興元器件：MEMS微機(jī)電系統(tǒng)傳感器執(zhí)行器MOEMS微光機(jī)電系統(tǒng)BioChips生物芯片量子器件特種半導(dǎo)體器件- 1.46 - 1.4 微電子元器件的分類(lèi)MEMS Ant vs. MEMS devices - 1.47 - 1.4 微電子元器件的分類(lèi)MEMS - 1.48 - 1.4 微電

16、子元器件的分類(lèi)系統(tǒng)集成- 1.49 - 1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 促進(jìn)了電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 低速-高速，簡(jiǎn)單功能-復(fù)雜，龐大-小巧 彩電，計(jì)算機(jī)（PC），通信（手機(jī)、交換機(jī)）都是明顯例子 促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展的數(shù)字化、信息化 例如網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字電視，GPS（全球定位系統(tǒng)）等 是國(guó)防和高技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，已成為國(guó)家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè) 兩彈一星，國(guó)防裝備，科研設(shè)備，科學(xué)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)計(jì)算等都離不開(kāi)微電子- 1.50 - 進(jìn)入機(jī)械、交通、電力、醫(yī)療、輕工以至日用百貨等各行業(yè)，提高了其產(chǎn)品的附加值 例如程控機(jī)床，汽車(chē)，醫(yī)療設(shè)備，相機(jī)，以至玩具等等促進(jìn)各業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、信息化，提高了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量總

17、之，微電子技術(shù)已成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素上世紀(jì)八十年代以來(lái)，全球半導(dǎo)體工業(yè)以年均15%以上的高速度增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球經(jīng)濟(jì)平均23%的年增長(zhǎng)速度。1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.51 - 硅器時(shí)代1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.52 - ?當(dāng)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“食物鏈”關(guān)系突出表現(xiàn)了集成電路的戰(zhàn)略地位?進(jìn)入信息化社會(huì)的判據(jù)：半導(dǎo)體產(chǎn)值占工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的0.5%1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.53 - 據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)測(cè) 電子信息服務(wù)業(yè) 30萬(wàn)億美元相當(dāng)于1997年全世界G DP總和電子裝備 6-8萬(wàn)億元 集成電路產(chǎn)值1萬(wàn)億美元G DP50萬(wàn)億美元2012年 1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.54 - 2000年：以集成電路為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為世界第一大產(chǎn)業(yè)硅是地球上除氧以外含量最豐富的元素，但它現(xiàn)在已經(jīng)成為知識(shí)創(chuàng)新的載體，價(jià)值千金。這是典型的“點(diǎn)石成金”！我國(guó)以集成電路為基礎(chǔ)信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，我們正在集成電路領(lǐng)域后來(lái)居上今后50100年，微電子技術(shù)仍會(huì)高速發(fā)展1.5 微電子在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位- 1.55 -