微电子器件与IC设计 (1)
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集成微电子器件
主讲： 徐静平 教授
绪
论
微电子器件的发展历史和现状:
1947年：点接触晶体管问世；
1950年代：可控制导电类型的超高纯度单晶问世，结型 晶体管出现（取代真空管，收音机）； 6 Hz 10
10 1960年代：第一代集成电路（IC）出现，电视时代；
1970年代：集成电路（IC） ，微波时代； 1010 Hz
赫伯特· 克勒默
杰克· 基尔比
泽罗斯· 阿尔费罗夫
青年基尔比
集成电路草图
第一块集成电路
Ge 衬底上的混合集成电路，
美国专利号3138743
1958年9月12日，TI公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验 室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源 元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的 半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体 管、两个电容和八个电阻）。 Kilby本人也因此与赫伯特· 克勒 默和俄罗斯的泽罗斯· 阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物 理学奖。
1959年 美国仙童/飞兆公司（ Fairchilds ）的R.Noicy 诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业 的大发展。
1959年仙童公司制造的IC
年轻时代的诺伊斯
集成电路的发明
1958年，J. Kilby在对小型化IF放大器的仔细分析、特别 是进行了成本分析后，他认为用传统的微型化模型的工 作方式是解决不了问题的。解决问题的出路在于全半导 体化—— 一个新的方法。
学习与科学研究是一个艰苦的 过程，需要有艰苦奋斗的准备， 需要终生的努力。
“终生努力，便成天才。”-门捷列夫。
集成电路发展简史
60年代 TTL、ECL出现并得到广泛应用。1966年 MOS LSI发明（集成度高，功耗低）
70年代 MOS LSI得到大发展（出现集成化微处理 器，存储器）VLSI，典型产品64K DRAM ，16位 MPU
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 2 倍，这就是摩尔定律
不断提高产品的性能价格比是 微电子技术发展的动力
半导体IC技术发展趋势
1. 微细加工技术的提高 微细加工技术水平通常用特征尺寸CD（Critical Dimension）表征，对于MOS工艺，特征尺寸指工艺所能达到 的最小沟道长度或栅的宽度；对于双极Bipolar工艺而言，则是 指发射区条的最小宽度。影响微细加工技术极限的因素，主要 是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光） 的发展和电子束投影曝光技术的发展。 总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的： 10m 亚微米0.90.5m 深亚微米（0.5m） 0.180.12m 纳米（0.1m）。 大约每代产品的特征尺寸缩小0.7倍。
发 射 极
0.005cm
塑料楔
集 电 极
的间距
锗
蒸金箔
金属 基极
世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管
2. 集成电路的发明
1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer达默 第一次提出 了集成电路的设想。1958年以德 克萨斯仪器公司的科学家基尔比 (Clair Kilby)为首的研究小组研制 出了世界上第一块集成电路，并 于1959年公布了该结果
集成电路发明的启示
集成电路早在1952年英国Dummer 已经提出其概 念，为什么它的发明不在英国而在美国呢？ Michael F. Wolff 曾经总结了下面几条： 1. Kilby 和Noyce 都强调广泛的半导体技术基础 的重要性。1952年的英国并不存在这个基础， 而美国却存在。
2. 客观需求对小型化的要求，特别是军事上应 用提出的迫切需求，促进了集成电路的发明。 基于同一理由，军队需求成为集成电路的最早 用户，促进了集成电路的工业生产。
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
1958年发明第一块简单IC的美国TI公司Jack S.Kilby 杰克· 基 尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特· 克勒默和俄罗斯圣彼得 堡约飞物理技术学院的泽罗斯· 阿尔费罗夫一起获得2000年 Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性 贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管 。
1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼 亚州景山（Mountain View）贝克曼仪器公 司半导体实验室的肖克莱（William Shockley，1910—1989）、美国伊利诺斯州 乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（John Bardeen，1908—1991）和美国纽约州缪勒 海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉 顿（Walter Brattain，1902—1987），以表彰 他们在1947年12月23日 发明第一个对半导 体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发 现。
3.集成电路发明不是偶然的事件，相反地， 它是对客观存在问题的一系列解决方案 研究的结果，是技术发展的客观必然。 4. Kilby 和Noyce 所在的两个公司TI和 Fairchild公司都是年轻、成长中的公司， 这里的管理者都营造了良好的有利于创 新的氛围。而Dummer 认为这正是当时 的英国所缺乏的。
（1″=1英寸 =2.54cm=25.4mm）
4、简化电路结构 半导体IC的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步， 还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少的 元件，实现预期的设计指标和性能。
表1.2将来硅基集成电路的要求（ITRS2005
年 份 2005 80 90 54 14 8G 386 2006 70 78 48 13 8G 386 2007 65 68 42 12 16G 386 2008 57 59 38 11 16G 773 2009 51 52 34 10 16G 773 2010 45 45 30 9 32G 773 2011 40 40 27 9 32G 1546 2014 28 28 19 8 64G 3092 2017 20 20 13 7 128G 6184
因此他试图将电阻、电容等无源元件和有源元件都 做在同一块半导体材料上。进一步分析认为有可能将这 些元件同时“在位”制备在一起，并用互连形成电路。 这时，Kilby实际上已完成了集成电路的创新思维过 程。他很快就画出了关于触发器(flip-flop)的构思，用硅 的体电阻做电阻器，用P-N结形成电容器（1959年7月24 日的实验室笔记）。
2、芯片面积扩大
随着IC芯片功能的日益强大，电路系统也更加复杂，单 芯片面积也不断增大，以容纳更多的元器件和子单元。单片面 积已由10mm2 扩大到100mm2甚至几百mm2。大约每代产品的 芯片面积增大1.5倍。 3、大圆片Wafer，大直径化 圆片大直径化的发展：
4″ 5″ 6″ 8″ 10″ 12″ 16″
集成电路发明的启示
Dummer 还特意强调，美国公司所以具有创新的精神，还 有下列一些条件： 1. 电子工程师往往用自己的资金或用风险基金创业， 因而工作勤奋。 2. 政府支持（政府给予合同）往往帮助他们起步。 3. 国内市场的需求是一个成功的重要因素。 4. 在美国，鼓励员工在公司中持股，给予员工一个 激励的机制。 Dummer 认为，一个企业的成功总是有赖于一些人的 创新和献身精神。 这些总结和归纳虽然发表在20多年前，但对当前的科学 研究工作和科技成果的产业化仍有着深刻的指导意义。
21世纪
Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（ 应变硅技 术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形， 以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼 此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运 行速度越快，处理器的性能就越好。 ）可以将晶体管 的性能提升10%~15%。与90纳米工艺制造的晶体管相 比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的 漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用65纳米工 艺。 Intel公司2004年底宣布首次成功开发出15纳米的 晶体管。Intel的15纳米晶体管基于CMOS工艺，工作 电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。Intel 计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，到时 该公司开发出的处理器将达到20GHz甚至更高。
集成电路复杂度不断增加，系统芯 片或称芯片系统SoC (System-on-Chip)成为开发 目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。 英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的 65纳米制程的硅片，Intel2004 年8月宣布，他 们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。 并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。 SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备， 处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。
8
Hz
1980年代：大规模集成电路（LSI），卫星通信时代; 1012 Hz
1990年代：超大规模集成电路（VLSI），光通信时代 1014 Hz
1. 晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半 导体研究小组, W. Schokley肖克莱，J. Bardeen巴丁、W. H. Brattain布拉顿。 Bardeen提出了表面态理论， Schokley给 出了实现放大器的基本设想，Brattain设 计了实验。1947年12月23日，第一次观测 到了具有放大作用的晶体管
肖克莱 ( William Shockley)
巴丁 (JohnBa rdeen)
布拉顿 (Walter Brattain)
Leabharlann Baidu
晶体管的发明
二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发 明作好了理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略 发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组， 开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中， 肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原 理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很 多。经过周密的分析，巴丁提出表面态理论，开辟了新 的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多 次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大 现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于 1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入 电子时代的序幕。
所谓Moore定律是在1965年 由INTEL公司的Gordon.Moore 提出的，其内容是硅集成电路 按照4年（后来发展到3~4年） 为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、 IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。
Gordon E.Moore 博士-1965年
微电子发展的规律
由于集成电路器件制造能力按每3年翻 两番，即每年58％的速度提升，而电路 设计能力每年只以21％的速度提升，电 路设计能力明显落后于器件制造能力， 且其鸿沟(gap)呈现越来越变宽的趋势。
工艺线建设投资费用越来越高。目 前一条8英寸0.35μm工艺线的投资约20亿 美元，但在几年内一条12英寸0．09μm工 艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额 投资已非单独一个公司，甚至一个发展 中国家所能单独负担的。
80年代 VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段（其标 志为特征尺寸小于2m，集成度105 个元件/片）典 型产品4M DRAM(集成度 8∙106，芯片面积91mm2， 特征尺寸0.8μm，晶片直径150mm ) ，于89年开始商 业化生产，95年达到生产顶峰。
90年代 ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代 表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用 的主流产品。1 G DRAM (集成度2.2∙109，芯片 面积700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直径 200mm) ，2000年开始商业化生产，2004年达到 生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPU(P4) 己超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。集 成电路的速度不断提高，采用0.13μm CMOS工 艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高 速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高 工作频率已超过6GHz。
主讲： 徐静平 教授
绪
论
微电子器件的发展历史和现状:
1947年：点接触晶体管问世；
1950年代：可控制导电类型的超高纯度单晶问世，结型 晶体管出现（取代真空管，收音机）； 6 Hz 10
10 1960年代：第一代集成电路（IC）出现，电视时代；
1970年代：集成电路（IC） ，微波时代； 1010 Hz
赫伯特· 克勒默
杰克· 基尔比
泽罗斯· 阿尔费罗夫
青年基尔比
集成电路草图
第一块集成电路
Ge 衬底上的混合集成电路，
美国专利号3138743
1958年9月12日，TI公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验 室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源 元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的 半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体 管、两个电容和八个电阻）。 Kilby本人也因此与赫伯特· 克勒 默和俄罗斯的泽罗斯· 阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物 理学奖。
1959年 美国仙童/飞兆公司（ Fairchilds ）的R.Noicy 诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业 的大发展。
1959年仙童公司制造的IC
年轻时代的诺伊斯
集成电路的发明
1958年，J. Kilby在对小型化IF放大器的仔细分析、特别 是进行了成本分析后，他认为用传统的微型化模型的工 作方式是解决不了问题的。解决问题的出路在于全半导 体化—— 一个新的方法。
学习与科学研究是一个艰苦的 过程，需要有艰苦奋斗的准备， 需要终生的努力。
“终生努力，便成天才。”-门捷列夫。
集成电路发展简史
60年代 TTL、ECL出现并得到广泛应用。1966年 MOS LSI发明（集成度高，功耗低）
70年代 MOS LSI得到大发展（出现集成化微处理 器，存储器）VLSI，典型产品64K DRAM ，16位 MPU
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 2 倍，这就是摩尔定律
不断提高产品的性能价格比是 微电子技术发展的动力
半导体IC技术发展趋势
1. 微细加工技术的提高 微细加工技术水平通常用特征尺寸CD（Critical Dimension）表征，对于MOS工艺，特征尺寸指工艺所能达到 的最小沟道长度或栅的宽度；对于双极Bipolar工艺而言，则是 指发射区条的最小宽度。影响微细加工技术极限的因素，主要 是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光） 的发展和电子束投影曝光技术的发展。 总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的： 10m 亚微米0.90.5m 深亚微米（0.5m） 0.180.12m 纳米（0.1m）。 大约每代产品的特征尺寸缩小0.7倍。
发 射 极
0.005cm
塑料楔
集 电 极
的间距
锗
蒸金箔
金属 基极
世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管
2. 集成电路的发明
1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer达默 第一次提出 了集成电路的设想。1958年以德 克萨斯仪器公司的科学家基尔比 (Clair Kilby)为首的研究小组研制 出了世界上第一块集成电路，并 于1959年公布了该结果
集成电路发明的启示
集成电路早在1952年英国Dummer 已经提出其概 念，为什么它的发明不在英国而在美国呢？ Michael F. Wolff 曾经总结了下面几条： 1. Kilby 和Noyce 都强调广泛的半导体技术基础 的重要性。1952年的英国并不存在这个基础， 而美国却存在。
2. 客观需求对小型化的要求，特别是军事上应 用提出的迫切需求，促进了集成电路的发明。 基于同一理由，军队需求成为集成电路的最早 用户，促进了集成电路的工业生产。
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
1958年发明第一块简单IC的美国TI公司Jack S.Kilby 杰克· 基 尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特· 克勒默和俄罗斯圣彼得 堡约飞物理技术学院的泽罗斯· 阿尔费罗夫一起获得2000年 Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性 贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管 。
1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼 亚州景山（Mountain View）贝克曼仪器公 司半导体实验室的肖克莱（William Shockley，1910—1989）、美国伊利诺斯州 乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（John Bardeen，1908—1991）和美国纽约州缪勒 海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉 顿（Walter Brattain，1902—1987），以表彰 他们在1947年12月23日 发明第一个对半导 体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发 现。
3.集成电路发明不是偶然的事件，相反地， 它是对客观存在问题的一系列解决方案 研究的结果，是技术发展的客观必然。 4. Kilby 和Noyce 所在的两个公司TI和 Fairchild公司都是年轻、成长中的公司， 这里的管理者都营造了良好的有利于创 新的氛围。而Dummer 认为这正是当时 的英国所缺乏的。
（1″=1英寸 =2.54cm=25.4mm）
4、简化电路结构 半导体IC的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步， 还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少的 元件，实现预期的设计指标和性能。
表1.2将来硅基集成电路的要求（ITRS2005
年 份 2005 80 90 54 14 8G 386 2006 70 78 48 13 8G 386 2007 65 68 42 12 16G 386 2008 57 59 38 11 16G 773 2009 51 52 34 10 16G 773 2010 45 45 30 9 32G 773 2011 40 40 27 9 32G 1546 2014 28 28 19 8 64G 3092 2017 20 20 13 7 128G 6184
因此他试图将电阻、电容等无源元件和有源元件都 做在同一块半导体材料上。进一步分析认为有可能将这 些元件同时“在位”制备在一起，并用互连形成电路。 这时，Kilby实际上已完成了集成电路的创新思维过 程。他很快就画出了关于触发器(flip-flop)的构思，用硅 的体电阻做电阻器，用P-N结形成电容器（1959年7月24 日的实验室笔记）。
2、芯片面积扩大
随着IC芯片功能的日益强大，电路系统也更加复杂，单 芯片面积也不断增大，以容纳更多的元器件和子单元。单片面 积已由10mm2 扩大到100mm2甚至几百mm2。大约每代产品的 芯片面积增大1.5倍。 3、大圆片Wafer，大直径化 圆片大直径化的发展：
4″ 5″ 6″ 8″ 10″ 12″ 16″
集成电路发明的启示
Dummer 还特意强调，美国公司所以具有创新的精神，还 有下列一些条件： 1. 电子工程师往往用自己的资金或用风险基金创业， 因而工作勤奋。 2. 政府支持（政府给予合同）往往帮助他们起步。 3. 国内市场的需求是一个成功的重要因素。 4. 在美国，鼓励员工在公司中持股，给予员工一个 激励的机制。 Dummer 认为，一个企业的成功总是有赖于一些人的 创新和献身精神。 这些总结和归纳虽然发表在20多年前，但对当前的科学 研究工作和科技成果的产业化仍有着深刻的指导意义。
21世纪
Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（ 应变硅技 术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形， 以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼 此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运 行速度越快，处理器的性能就越好。 ）可以将晶体管 的性能提升10%~15%。与90纳米工艺制造的晶体管相 比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的 漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用65纳米工 艺。 Intel公司2004年底宣布首次成功开发出15纳米的 晶体管。Intel的15纳米晶体管基于CMOS工艺，工作 电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。Intel 计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，到时 该公司开发出的处理器将达到20GHz甚至更高。
集成电路复杂度不断增加，系统芯 片或称芯片系统SoC (System-on-Chip)成为开发 目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。 英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的 65纳米制程的硅片，Intel2004 年8月宣布，他 们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。 并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。 SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备， 处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。
8
Hz
1980年代：大规模集成电路（LSI），卫星通信时代; 1012 Hz
1990年代：超大规模集成电路（VLSI），光通信时代 1014 Hz
1. 晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半 导体研究小组, W. Schokley肖克莱，J. Bardeen巴丁、W. H. Brattain布拉顿。 Bardeen提出了表面态理论， Schokley给 出了实现放大器的基本设想，Brattain设 计了实验。1947年12月23日，第一次观测 到了具有放大作用的晶体管
肖克莱 ( William Shockley)
巴丁 (JohnBa rdeen)
布拉顿 (Walter Brattain)
Leabharlann Baidu
晶体管的发明
二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发 明作好了理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略 发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组， 开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中， 肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原 理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很 多。经过周密的分析，巴丁提出表面态理论，开辟了新 的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多 次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大 现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于 1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入 电子时代的序幕。
所谓Moore定律是在1965年 由INTEL公司的Gordon.Moore 提出的，其内容是硅集成电路 按照4年（后来发展到3~4年） 为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、 IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。
Gordon E.Moore 博士-1965年
微电子发展的规律
由于集成电路器件制造能力按每3年翻 两番，即每年58％的速度提升，而电路 设计能力每年只以21％的速度提升，电 路设计能力明显落后于器件制造能力， 且其鸿沟(gap)呈现越来越变宽的趋势。
工艺线建设投资费用越来越高。目 前一条8英寸0.35μm工艺线的投资约20亿 美元，但在几年内一条12英寸0．09μm工 艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额 投资已非单独一个公司，甚至一个发展 中国家所能单独负担的。
80年代 VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段（其标 志为特征尺寸小于2m，集成度105 个元件/片）典 型产品4M DRAM(集成度 8∙106，芯片面积91mm2， 特征尺寸0.8μm，晶片直径150mm ) ，于89年开始商 业化生产，95年达到生产顶峰。
90年代 ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代 表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用 的主流产品。1 G DRAM (集成度2.2∙109，芯片 面积700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直径 200mm) ，2000年开始商业化生产，2004年达到 生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPU(P4) 己超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。集 成电路的速度不断提高，采用0.13μm CMOS工 艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高 速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高 工作频率已超过6GHz。