微电子技术简介
微电子技术简介
微电子技术简介
（1）微电子技术与集成电路 （2）集成电路的制造 （3）集成电路的发展趋势 （4）IC卡
(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
什么是微电子学？ （Microelectronics）
微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子 或离子在固体材料中的运动规律及其应用； 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的： 研究如何利用半导体的微观特性以及一些特殊 工艺，在一块半导体芯片上制作大量的器件， 从而在一个微小面积中制造出复杂的电子系统。
什么是微电子技术
微电子技术是微电子学中各项工艺技术的总称， 它包括： 系统和电路设计技术； EDA软件技术； 半导体器件物理； 集成电路制造工艺、材料制备等； 集成电路测试技术； 封装技术等；
电子电路中元器件的发展演变
电子管 (1904) 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950’s) 大规模/超大规模 集成电路(1970’s)
• 微电子技术是以集成电路为核心的电子技 术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程 中发展起来的。
集成电路（IC ）
Integrated Circuit 的缩写； 集成电路是指通过一系列工艺，在单片半导 体材料上（硅或者砷化镓） 加工出许多 元 器件(有源和无源的)，这些元器件按照一定 要求连接起来，作为一个不可分割的整体执 行某一特定的功能； 集成电路是电路的单芯片实现； 集成电路是微电子技术的核心；
集成电路
集成电路的重要性
IC及其产业是以计算机和通讯为支柱的信息 社会的基石： 目前信息产业占40%~60% ，国民经济增 长的65%与IC有关； 预测：到2012年，世界GDP 值达50万亿美 元，IC产值达6000亿，支持6~8万亿美元 的电子装备，支持30万亿美元的电子信息服 务业（是1997年全球GDP的总和）； 如果以单位质量的“钢” ” 对国民生产总值的 贡献为1来计算，则小轿车为5，彩电为 30，计算机为1000，而IC则高达2000；
集成电路的重要性
渗透力强： 以IC进行智能改造，不仅使几乎所有的传统产业焕发 青春，节能、节材，还使其产生革命性的变化和进步。 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电 量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子 技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于 三个葛洲坝电站的发电量 (157 亿度/ 年) 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用 30%，所节省的电能相当于三座大亚湾核电站的发 电量(139 亿度/年) 电子装备更新换
代都基于微电子技术的进步，其灵巧 程度都依赖于集成电路芯片的“智慧” ”程度和使用程 度。
IC产业的增值性： 硅变成 IC芯片， “点石成金 ”， IC是体现知 识经济的典型产品 ； 例1：1M DRAM 的 150mm 硅片 硅 (沙子)→ 单晶硅片($30) →电路芯片 ($240) →测试封装的电路 ($700) 例2 ：数控机床 普通机床→经过数字化技术改造→数控机床 价格相差10倍
国防建设的关键作用； 远古：天然兵器（木棒、石块） 古代：冷兵器（大刀、长矛） 工业时代：热兵器（火药、枪炮） 近代：核兵器（原子弹、氢弹） 现代：信息武器（制导、电子战、 信息武器、 智能武器，精确打击）
微电子科学技术 和集成电路发展史
什么是集成电路？
集成电路 (Integrated Circuit，简称IC)： 以半导体单晶片作为基片,采用平面工 艺，将晶体管、电阻、电容等元器件 及其连线所构成的电路制作在基片上 所构成的一个微型化的电路或系统 集成电路的优点：
体积小、重量轻 功耗小、成本低 速度快、可靠性高
超大规模集成电路 小规模集成电路
IC是所有电子产品的核心
集成电路的分类
按用途分： 通用集成电路 专用集成电路（ASIC）
按集成度(芯片中包含 的元器件数目)分：
集成电路规模 小规模集成电 路（SSI） 元器件数目 ＜100
按电路的功能分： 中规模集成电 数字集成电路 100~3000 路（MSI） 模拟集成电路 大规模集成电 3000~10万 按晶体管结构、电路和工艺分：路（LSI） 双极型（Bipolar）电路 10万~几十 超大规模集成 金属氧化物半导体电路MOS 电路（VLSI） 亿 ······ 极大规模集成
电路（ULSI） ＞100万
(2)集成电路的制造
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。
集成电路的制造流程
硅抛光片 硅平面工艺
晶圆 检测、分类
芯片 封装 集成电路 成品测试 成品
单晶 硅锭
单晶硅锭经切 割、研磨和抛 光后制成镜面 一样光滑的圆 形薄片，称为 “硅抛光片”
硅平面工艺包括氧化、光刻、 掺杂和互连等工序，最终在 硅片上制成包含多层电路及 电子元件的集成电路。通常 每一硅抛光片上可制作成百 上千个独立的集成电路，这 种整整齐齐排满了集成电路 的硅片称作“晶圆”
对晶圆上的每个 电路进行检测， 然后将晶圆切开 成小片，把合格 的
电路分类，再 封装成一个个独 立的集成电路
进行成品测 试，按其性能 参数分为不同 等级，贴上规 格型号及出厂 日期等标签， 成品即可出厂
(3)集成电路的发展趋势
•
集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。
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，相同面积的晶片可容纳的 晶体管数目就越多。 • 所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小 晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。
IC集成度提高的规律
Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月 翻一番 (Gordon E.Moore,1965年) 例：Intel微处理器集成度的发展
酷睿2双核 （2006） 291～410M晶体管 酷睿2四核 （2007） 820M 晶体管 Core i7 六核（2010） >10亿 晶体管
80486 80386 80286 8086 8008 4004 8080 Pentium CORE i7 CORE 2 Quad CORE 2 Duo Pentium 4 Pentium III Pentium II
晶体管数 1000x106 100x106 10x106 106 100 000 10 000
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
1 000 2010
集成电路技术的发展趋势
• 减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸 • 增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片
1999
工艺(μm) 晶体管(M) 时钟频率(GHz) 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(英寸) 0.18 23.8 1.2 340 6 12
2001
0.13 47.6 1.6 340 7 12
2004
0.09 135 2.0 390 8 14
2008
0.045 539 2.655 468 9 16
2010
0.032 1000 3.8 600 9 16
2014
0.014 3500 10 901 10 18
IC技术发展——减小蚀刻尺寸
减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线 的尺寸
尺寸越小，开关速度越快，性能越高 相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本 越低
8086的蚀刻尺寸为 3μm Pentium的蚀刻尺寸是 0.80μm Pentium 4的蚀刻尺寸当前是 0.09μm（90纳米） 酷睿2双核的蚀刻尺寸为 0.065μm（65纳米） 酷睿2四核的蚀刻尺寸为 0.045μm（45纳米）
酷睿i7六核的蚀刻尺寸为 0.032μm（32纳米）
IC技术发展——增大晶圆面积
增大硅晶圆的面积：使每块晶 圆能生产更多的芯片
比如，使用0.13微米的工艺 在200mm的晶圆上可以生 产大约179个处理器核心， 而使用同样工艺在300mm 的晶圆可以制造大约427个 处理器核心，而实际成本提 高不多
进一步提高集成度的问题与出路
问题： 线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其 电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管 将逼近其物理极限而无法正常工作 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，人们正在利用这些量子效应研制具有全 新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量 子计算机 同时，正在研究将光作为信息的载体，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
英特尔再掀科技革命 3D晶体管
2011年5月4日，英特尔公司宣布在晶体管发展上取 得了革命性的重大突破。晶体管是现代电子设备的微 小元件，自50多年前硅晶体管发明以来，3-D结构晶 体管史无前例将首次投入批量生产。英特将推出被称 为三栅级(Tri-Gate)的革命性3-D晶体管设计，并将 批量投产研发代号IvyBridge的22纳米芯片。
IBM使用石墨烯制造模拟IC 与电感器等实现“混载”
美国IBM公司于当地时间2011年6月9日宣布，在 SiC晶元上集成使用石墨烯作为通道的晶体管 （GFET）和电感器，制作出了最大工作带宽超过 10GHz的混频器IC。详细内容已经在2011年6月 10日的学术杂志《科学》（Science）上发表。 混频器是无线通信电路中用于调制频率的重要电路。 这次的混频器IC由1个栅极长为550nm的GFET、2 个电感器以及4个端子焊盘组成。电感器采用了当局 部振荡器（LO）的频率为5GHz左右时，转换损耗最 小的设计。1枚芯片的尺寸约为900μm×600μm。
微电子学的发展
纳电子学 单电子学 自旋电子学 分子电子学