微电子技术简介

1.2.1微电子技术与集成电路微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础。微电子技术的核心是集成电路技术。1.2.微电子技术简介微电子技术:是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础是在电子电路和系统的超小型化及微型化过程中逐渐形成和发展起来的。是以集成电路核心的电子技术。1.2.1微电子技术与集成电路元器件即电子电路中使用的基础元件，具有开关和放大作用的电子元件（例如，真空电子管、二极管、三极管等）。1.2.1微电子技术与集成电路电子元器件即电子电路中使用的基础元件，具有开关和放大作用的电子元件（例如，真空电子管、二极管、三极管等以及电阻、电容）。微电子技术是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。微电子技术是实现电子电路和电子系统的超小型化及微型化的技术，是以集成电路为核心的电子技术。真空电子管传统的电子技术的基础元件在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机。晶体管1948年晶体管的发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步。产生了第二代计算机1.2.1微电子技术与集成电路电子线路使用的基础元件的演变：真空电子管晶体管中小规模集成电路大规模超大规模集成电路1.2.1微电子技术与集成电路电子线路使用的基础元件的演变：中/小规模集成电路(1950’s)大规模/超大规模集成电路(1970’s)第三代计算机第四代计算机和微型计算机1.2.1微电子技术与集成电路电子线路使用的基础元件的演变：1904年英国电气工程师弗莱明（JohnAmbroseFleming）真空二极管1906年美国工程师德·福雷斯特(LeeDeForest）真空三极管1.2.1微电子技术与集成电路电子线路使用的基础元件的演变：1956年诺贝尔奖肖克利WilliamBradfordShockley巴丁JohnBardeen布拉顿WalterBrattain1.2.1微电子技术与集成电路电子线路使用的基础元件的演变基尔比JackS.Kilby“第一块集成电路的发明家”诺依斯N.Noyce“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人它以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。集成电路20世纪50年代出现集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等。什么是集成电路？集成电路(IntegratedCircuit，简称IC）小规模集成电路超大规模集成电路什么是集成电路？集成电路的规模（集成度）集成电路的规模由单个芯片中包含的基本电子元器件（晶体管、电阻、电容等）的个数确定。集成电路的特点：体积小、重量轻、可靠性高（因集成度大，焊点少，故障率低）、功耗低、速度快1.2.1微电子技术与集成电路集成电路第一个集成电路小规模集成电路(SSI)中规模集成电路(MSI)大规模集成电路(LSI)超大规模集成电路(VLSI)极大规模集成电路(ULSI)小规模集成电路超大规模集成电路集成电路的分类按集成度（芯片中包含的元器件数目）分集成度小于100个电子元件集成度在100～3000个电子元件集成度在3000～10万个电子元件集成度达10万～100万个电子元件集成度超过100万个电子元件通常并不严格区分VLSI和ULSI，而是统称为VLSI。集成电路的分类集成电路的集成对象超大规模和极大规模集成电路：微处理器、芯片组、图形加速芯片中、小规模集成电路：简单的门电路、单级放大器大规模集成电路：功能部件、子系统集成电路的分类按晶体管结构、电路和工艺分双极型(Bipolar)集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路双极－金属-氧化物-半导体集成电路(Bi-MOS)按集成电路的功能来分，可分为数字集成电路模拟集成电路如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等通用集成电路专用集成电路（ASIC）微处理器、存储器等按照某种应用的特定要求而专门设计、定制的集成电路集成电路的分类按它们的用途可分为：1.2.1微电子技术与集成电路集成电路的分类先进的微电子技术高集成度芯片高性能的计算机利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片。1.2.1微电子技术与集成电路集成电路芯片是微电子技术的结晶，是计算机的核心1.2.2集成电路的制造(选学)•集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。•目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上1.2.2集成电路的制造硅衬底硅平面工艺晶圆芯片集成电路成品剔除分类封装成品测试共有400多道工序继续晶棒将单晶硅锭（晶棒）经切割、研磨和抛光严格清洗后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，称为硅抛光片硅平面工艺，它包括氧化，光刻，掺杂和互连等多项工序。把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路，每一硅抛光片上可制作出成百上千个独立的集成电路(晶粒)，硅片称为晶圆对晶圆上的每个晶粒（每一个独立的集成电路）进行检测，将不合格的晶粒用磁浆点上记号。然后将晶圆分割成一颗颗单独的晶粒（集成电）把废品剔除，把合格的集成电路分类，再封装成一个个独立的集成电路将单个的芯片固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把芯片上蚀刻出的一些的引线与基座底部伸出的插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊这样就制成了一块集成电路。跳出硅抛光片厚度：不足1mm直径：6、8、12英寸晶棒单晶硅锭集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，硅抛光片经过严格清洗（净化率10级）可用于集成电路制造硅衬底晶棒生长晶棒裁切与检测外径研磨切片圆边表层研磨蚀刻去疵抛光清洗检验包装硅抛光片厚度：不足1mm直径：6、8、12英寸晶棒单晶硅锭集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，硅抛光片经过严格清洗（净化率10级）可用于集成电路制造硅衬底晶棒生长晶棒裁切与检测外径研磨切片圆边表层研磨蚀刻去疵抛光清洗检验包装硅平面工艺、晶圆硅平面工艺，它包括氧化，光刻，掺杂和互连等多项工序。把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关等）的集成电路，就形成了一个个的小格，即晶粒。每一硅抛光片上可制作出成百上千个独立的集成电路(晶粒)，这种整整齐齐排满了晶粒(集成电路)的硅片称作“晶圆”。–晶圆切片（简称晶圆）像镜子一样的光滑圆形薄片，是供芯片生产的后道工序作深加工的原材料。剔除分类晶圆针测：晶圆制成后，用集成电路检测仪对每个晶粒（每一个独立的集成电路）检测其电气特性，将不合格的晶粒用磁浆点上记号。晶圆切割：将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒（集成电）。通过电磁法把点了磁浆的废品剔除，将合格的集成电路按其电气特性进行分类。这些集成电路小片就称为芯片。–集成电路芯片（简称芯片）直接应用在计算机、电子、通讯等许多行业上的最终产品。包括CPU、内存单元和其它各种专业应用芯片。封装—1将单个的芯片固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把芯片上蚀刻出的一些的引线与基座底部伸出的插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊这样就制成了一块集成电路常见的封装形式有：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）集成电路封装的目的：电功能：传递芯片的电信号散热功能：散发芯片内部产生的热量机械化学保护功能：保护芯片本身及导电丝封装—2塑料有引线芯片载体PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)(主板BIOS芯片)双列直插封装DIP(DualIn-linePackage)(主板BIOS芯片)封装—3FC-PGA2封装方式（Pentium4处理器）插座封装—4塑料四边引出扁平封装PQFP(PlasticQuadFlatPackage)(主板集成的声卡芯片)球栅阵列封装BGA(BallGridArrayPackage)(主板北桥芯片)封装—5小外形封装SOP(SmallOutlinePackage)（主板频率发生器芯片）Micro-BGA2封装的笔记本电脑CPU478脚P4CPU的BGA插座成品测试一般测试：将芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。特殊测试：根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。介绍集成电路制造过程的网站：://://ic.sjtu.edu.cn/vocation/jshbl/chdgmjchdl.asp1.2.3.集成电路的发展趋势集成电路的工作速度:主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。随着微米、亚微米量级的微细加工技术的采用和硅抛光片面积的增大，集成电路的规模越来越大。1.2.3.集成电路的发展趋势集成电路特点：Moore定律单块集成电路的集成度平均每18～24个月翻一番——GordonE.Moore,1965年Intel公司创始人体积小、重量轻、可靠性高。按电子器件的比例缩小法则，集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多。提高集成度，关键在缩小逻辑门电路面积。1.2.3.集成电路的发展趋势Intel公司微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数2010年达到18英寸晶圆和0.070.05μm工艺水平集成电路技术的发展趋势19992001200420082014工艺(μm)0.180.130.090.060.014晶体管(M)23.847.61355393500时钟频率(GHz)1.21.62.02.65510面积(mm2)340340390468901连线层数678910晶圆直径(英寸)1212141618引脚数目7009573350功耗（w）90130183问题与出路出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，可以利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，从而把芯片的研制推向量子世界的新阶段——纳米芯片技术。同时，人们还在研究光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成。线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄，干扰将越益严重。为了减少这种干扰，可以采取减小电流，降低电压的方法来解决。但是，当晶体管的基本线条小到纳米级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作•集成电路朝着纳米技术、集成光路、光电子集成方向发展。问题：纳米技术在半导体世界，基于传统原理的元件到了50纳米就将达到极限。1（nm纳米