微电子技术基础-微电子学介绍

优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
集成电路芯片的显微照片
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Biblioteka Baidu
64M SDRAM （华虹NEC生产）
芯片面积5.89×9.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管 23
通过课程学习，我们需要了解什么？
微电子技术基础的研究内容
半导体物理及半导体器件 集成电路制造工艺 集成电路设计流程 集成电路设计的EDA系统
45nm
Oxide
High-k Gate Dielectric Fully Depleted Channel 15nm
32nm Source: Intel
通过课程学习，我们需要了解什么？
微电子学的定义？

微电子学：Microelectronics

微电子学——微型电子学 核心——集成电路

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微电子学的定义？
CDMA版iPhone4采用高通MDM6600无线模组，该芯片理论上支持CDMA和GSM双 模制式，并能够在HSPA+网络环境下获得高达14.4Mbps的数据传输速度；手机重量 仅为137g；手机尺寸仅为115.2×58.6×9.3mm；手机电池续航能力理论上能达到300 小时；手机融合了通话、视频播放、摄像、游戏等多功能。
微电子学是研究电子在半导体 和集成电路中的物理现象、 物理规律，并在半导体材料上 实现微小型化电路及系统的电 子学分支。
微电子学是一门综合性很强的边缘 学科，其中包括了半导体器件物理、 集成电路工艺和集成电路及系统的 设计、测试和封装等多方面的内容；
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号 处理、计算机辅助设计、测试和加工、图论、化学等多个领域。
.35mm
0.35µm 0.25µm
.13mm
2001 2003
0.18µm
70n m
2005
50n m
0.13µm Terahertz Transistor Structure
90nm
30nm
2007 2009
20nm
65nm
Raised Source / Drain <30nm Silicon Gate

让我们看看83年前的无线收发机长什么样？ 这是一台复制的1929年的Hartley style transmitter
笨重 真空管 各种机械装置用于调谐
需要细致打造的各种线圈 和电容 毫无疑问，要消耗很大的 功耗，更别提可以便携了 。当然，也不会便宜
1929

到今天，无线通信系统高度集成化为我们带来了什么？
制造工艺介绍
硅单晶片与加工好的硅片
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制造工艺介绍 —制造业—
芯片制造过程
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通过课程学习，我们需要掌握什么？
集成电路设计
集成电路的设计流程 功能设计
逻辑与电路设计
版图设计等
集成电路的设计方法
数字集成电路的设计过程：
设计创意 + 仿真验证
集成设计介绍
功能要求
行为设计（VHDL） 否 行为仿真 是 综合、优化——网表 否
这一切都要归功于以半导体物理、半导体器件为基础、 以集成电路技术为核心的微电子技术的进步。
按照1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore的预 言： 集成电路的集成度每三年增长四倍；
特征尺寸每三年缩小
2
倍
Moore’s Law
1995 1997 1999
.20mm
… Continues to Power the Net
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
抓住集成电路产业，就能促进GDP高速 增长
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2010-2011年全球IC设计商（Fabless）排名及 销售额
微电子现状
数据显示，中国大陆 手机芯片设计大厂展 讯(Spreadtrum)2011 年的销售额成长率猛 增95%，居全球前25 大IC设计厂商之冠， 全球排名由2009年的 第67名、2010年的第 27名攀升至第17名。 相较之下，联发科 (Media Tek)2011年IC 销售额下滑了17%， 排名由2010年的第5名 跌至第6名；
•集成电路的内部电路
A
Vdd B Out
19
30mm
100m m 头发丝粗细
50mm 30~50mm (皮肤细胞的大小) 1mm 1mm (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝 粗细、皮肤细胞大小的比较
20 20
集成电路芯片的显微照片
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TI’s single chip low power GPS Receiver
微电子科学技术的战略地位
集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的 “食物链”关系
集成电路 2~ 3元
电子产品 10元
国民经济产值 100元
进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总 产值的0.5%
33
微电子现状

其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都 有一条规律 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI） 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP） 一般有一个近似的关系
Electronic numerical integrator and computer
当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC就足够了。 这样的计算机能够进入办公室、家庭吗？
目前流行的各种笔记本（及掌上）电脑：
现在世界上最轻的笔 记本电脑,重量不足 1Kg,最薄之处不足十 毫米,CPU的主频已经 达到GHz，电池的续 航能力可以达到6小 时以上。人们可以随 时把它带在身边.用于 工作、学习和娱乐。
晶体管出现后，无线电技术及电子学 本身发生了巨大变化，得到了长足的发展。
微电子历史
二、集成电路的发明

1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer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。
集成电路的定义

集成电路：Integrated Circuit，缩写IC

通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、 二极管等有源器件和电阻、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
封装好的集成电路
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集成电路
一、晶体管的发明
1948年，确切地说应是1947年12月23日，第一只晶体管 在贝尔实验室（Bell Telephone Laboratories）诞生，这是电 子技术发展史上一个重要里程碑。
第一只用单晶锗研制成n-pn型晶体三极管，促成了电子技 术小型化的发展，推动了固体 物理和电子学的研究
微电子历史

1946年第一台计算机：ENIAC，它主 要是为美国陆军阿贝尔丁检验基地计 算弹道而设计的，共用了18000个真空 管。
6
ENIAC
项目开始： 1943 完成： 1946 速度： 5000次每秒 输入/输出： 卡片、光、开关、 插头 占地面积： 1000平方英尺 重量：30吨； 功率：140KW； 平均无故障运行时间：7min 项目负责人： John Mauchly J. Presper Eckert
微电子技术基础
姜 梅 深圳大学信息工程学院
1
参考书：
《微电子学概论》
（第二版）
张兴/黄如/刘晓彦
北京大学出版社 2005年1月
2
课程介绍

为什么我们需要开设这门课程？ 通过本课程的学习，我们需要了解什么？



微电子学的定义 微电子技术基础研究的内容 微电子学的发展历史、现状和未来 微电子的核心-集成电路的定义、分类和特点。 集成电路的设计、制造的原理和方法等。 重点掌握半导体物理、半导体器件物理的原理 重点掌握集成电路工艺制造原理与流程 掌握集成电路设计的流程、集成电路CAD方法 掌握新材料、新工艺、新技术的基本概念，对微电子学的整体 有一个比较全面的认识。
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未来
集成电路市场未来几年的增速将保持在9%左右，市场发展的主要驱动力仍然 主要来自PC、手机、液晶电视以及其它产量较大的电子产品；
未来新兴应用成为市场增长的推动因素之一，物联网、云计算、新能源、 半导体照明、医疗电子和安防电子等新兴领域的发展，将为中国集成电路市场 带来新动力。
2007--2014年中国集成电路销售额及增长率

通过本课程的学习，我们应该掌握什么？


为什么我们需要开设这门课程？

微电子：信息社会发展的基石

自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息 是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人 类社会、经济活动的重要资源。 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由 高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传 送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。
时序仿真 是 布局布线——版图
后仿真 是
否
—设计业—
Sing off
集成电路芯片设计过程框架
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通过课程学习，我们需要掌握什么？
集成电路设计的EDA系统
逻辑模拟的概念、功能和模型 电路模拟的概念、功能和模型 器件模拟的概念、功能和模型
工艺模拟的概念、功能和模型
版图设计的EDA及制版等
通过课程学习，我们需要掌握什么？
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通过课程学习，我们需要掌握什么？
半导体物理及半导体器件
半导体及其能带理论
PN结的工作原理
双极型晶体管的工作原理及 电流电压方程
MOS场效应晶体管的工作原理及 电流电压方程
通过课程学习，我们需要掌握什么？
集成电路制造工艺
硅平面工艺的基本流程 氧化、扩散、掺杂 光刻、掩模、外延等 工艺 CMOS场效应晶体管集成电路集成 电路工艺流程
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微电子历史
微电子发展史上的几个里程碑

1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上

1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器
1968年Dennard——单晶体管DRAM 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
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微电子现状
集成电路的SOC设计
SOC设计的过程 SOC关键技术及面临的主要问题等
集成电路新材料、新工艺、 新结构的研究
集成电路分类
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集成电路分类
器件结构类型分类 集成电路规模分类
使用的基片材料分类 电路功能分类 应用领域
器件结构分类

按器件结构类型分类 双极集成 电路：主要由双极晶体管构成

NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路
晶体管的出世要归功于： 肖克莱（Shockley﹚ 巴丁（Bardeen﹚ 布拉顿 ﹙Bratein﹚﹙1902年 生于中国厦门）
他们分享了1956年度诺贝尔物理学奖
微电子历史
肖克莱后来对美国旧金山西南端硅谷做出 了开创性贡献。 而巴丁则又与库柏（Cooper）和施莱弗 （Schrieffer）由于对超导理论的贡献共享了 1972年度诺贝尔物理学奖。

为什么我们需要开设这门课程？

实现社会信息化的网络及其关键部件-计 算机和各种通讯设备，它们的基础都是 微电子
Mobile
Home
Memory Stick i.LINK
Network Services
Internet
为什么我们需要开设这门课程？

微电子的核心-集成电路的作用和优势是: 电子产品的体积、功耗极大降低，而工 作速度、性能却极大提高，功能更加丰 富。
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2010-2011全球IC设计商（Fabless）排名及销 售额
微电子现状
从地域分布来看，全 球IC设计厂商仍是由 美国公司主导，前10 大业者中有8家的总部 位于美国。日本只有 一家IC设计业者挤入 前25大排名，即迈格 技富(MegaChips)，其 2011年营收成长率达 到35%。
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2010-2011年全球IC销售商排名及销售额
微电子现状
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2010-2011年全球IC代工厂排名及销售额
微电子现状
前五大晶圆代工厂的市占率合计近八成 ，排名第一的龙头大厂台积电(TSMC) ，2011年营收较2010年增加，市占率达 48.8%。
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微电子现状
2007--2011年中国集成电路销售额及增长率
通过课程学习，我们需要了解什么？
微电子技术基础的研究内容
集成电路的SOC设计
集成电路新材料、新工艺、 新结构的研究
通过课程学习，我们需要了解什么？
重点研究内容
半导体物理及半导体器件 集成电路制造工艺 集成电路设计流程 集成电路新材料、新工艺、 新结构的研究
通过课程学习，我们需要了解什么？
微电子历史