集成电路和微电子学

集成电路和微电子学

姓名：朱传明 班级：过控11-1 学号：[1**********]9

集成电路（Integrated Circuit，简称IC）：一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。

微电子是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，病致力于这些物理现象、物理规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、自动测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成电子器件、集成超导器件等。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；

微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向；衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；而是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。

微电子技术的发展历史

1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功一这种组件为基础的混合组件；1958年美国的杰克 基尔比发明了第一个锗集成电路。1960年3月基尔比所在的德州仪器公司宣布了第一个集成电路产品，即多谐振荡器的诞生，它可用作二进制计数器、移位寄存器。它包括2个晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，封装在0.25英寸*0.12英寸的管壳内，厚度为0.03英寸。这一发明具有划时代的意义，它掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章。1960年宣布发明了能实际应用的金属氧化物—半导体场效应晶体管。1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路；由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70年代，微电子技术进入了MOS电路时代；

随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统发展，电路的设计也日益复杂、费事和昂贵。实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集成电路

的设计是不可能的。

微电子发展状态与趋势

微电子也就是集成电路，它是电子信息科学与技术的一门前沿学科。中国

科学院王阳元院士曾经这样评价：微电子是最能体现知识经济特征的典型产品之一。在世界上，美国把微电子视为他们的战略性产业，日本则把它摆到了“电子立国”的高度。可以毫不夸张地说，微电子技术是当今信息社会和时代的核心竞争力。

我国集成电路设计企业现已形成了近百家的产业规模，其中具备一定设

计规模的单位有20多家，留学海外，学有所成，回国创业的海外学子已成为CAD行业的一支重要力量。除独资设计公司外，国有集成电路设计公司2000

年的总销售额超过了10亿元，其中北京华大、北京大唐微电子、杭州士兰公司和无锡矽科4家设计公司的销售额超过了1亿元。目前，国内每年设计的集成电路品种超过300种，大部分设计公司的技术水平在0.8~1.5微米之间，最高设计水平可达0.13微米。中国主要的高科技城市一直盯着集成电路(IC)设计产业。如果说在2000年和2001年他们争夺的是台湾芯片加工服务厂(foundry)的8英寸芯片生产线西移项目的话(当然，这种竞争至今仍在继续)。那么从2001年下半年至今，他们争夺的则是国家科技部的青睐--科技部手里捏着一顶名叫“国家级集成电路设计产业化基地”的桂冠，谁获发一顶受益无穷。

目前，我国集成电路产业已具备了一定的发展基础，初步形成了由8个芯片生产骨干企业，十几家封装厂、几十家设计公司、若干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体，并初步形成了电路设计、芯片制造和电路封装三业并举的局面。 中国半导体产业发展从产业热土的长江三角洲，到市场繁华的珠江三角洲，从长于研发的北方，到人才集聚的西部，有人把这种产业布局，比喻是一只正在起飞的娇燕。其中长江三角洲是燕头，京津环渤海湾地区和珠江三角洲是双翅，而西部是燕尾。中国的IC产业正是以这种燕子阵形的区域格局向前推进。

现在我国微电子发展的主要特点是：

（1）在技术创新上已取得新的突破；

（2）产业结构不断优化；

（3）企业规模不断扩大，技术水平迅速提高。

2.发展趋势

自从IC诞生以来，IC芯片的发展基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩尔定律。该定律说：芯片上可容纳的晶体管数目每18个月便可增加一倍，即芯片集成度18个月翻一番，这视为引导半导体技术前进的经验法则。换句话说，工艺技术的进展对IC集成度的提高起到乘积的效果，使得每个芯片可以集成的晶体管数急剧增加，其CAGR—累计平均增长率达到每年58%，即三年四番（1.583=4）。

第一，将以硅基ＣＭＯＳ电路为主流工艺。微电子技术发展的目标是不断地提高集团系统的性能及性价比，因此要求提高芯片的集成度，这是不断缩小

半导体器件特征尺寸的动源泉。以ＭＯＳ技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度，同时缩小沟道长度和宽度还可以减少四件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上。另外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信息的延迟远小于芯片间的信号延迟，这样在缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也会得到很大提高。也就是说，２１世纪前半叶，微电子产业仍将以尺寸不断缩小的硅基ＣＭＯＳ工艺技术为主流。

第二，集成系统是本世纪初微电子技术发展的重点。迄今为止，微电子芯片一直是以成电路（ＩＣ）为基础进行的，然后再利用这些ＩＣ芯片通过印刷电路板等技术实现完整的统。而信息系统的发展趋势是高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化，这就要求系统能够快速地处理各种复杂的智能问题。而在传统的信息系统中，尽管ＩＣ芯片的速度可以很高、功耗可以很小，但由于印刷电路板中ＩＣ芯片之间的延时、印刷电路板的可靠性以及重量等因素的限制，使整个系统集成在一个或几个芯片上，从而构成系统芯片的集成系统概念。同时，飞速发展的集成电路技术已经可以在一个芯片上集成高达１０的八次方－１０的九次方个晶体管，２１世纪的微电子技术将从目前的３Ｇ逐步发展到３Ｔ（即存储容量由Ｇ位发展到Ｔ位、集成电路器件的速度有ＧＨＺ发展到ＴＨＺ、数据传输速度由ＧＢＰＳ发展到ＴＢＰＳ），从而为集成系统的快速发展奠定基础。微电子技术从ＩＣ向ＩＳ转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果，它必将导致又一次以微电子技术为基础的信息技术革命。目前，ＩＳ技术已经绽露头角，２１世纪将是其真正快速发展的时期。在２１世纪，将在较长时间内依托０.１８um--０.１５um的工艺技术进行一场集成系统的革命。

第三，微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点。微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子机构模块。这种技术一旦与它学科相结合，便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，与微电子技术结合成功突出例子便是ＭＯＥＭＳ（微光机电系统）技术和ＤＮＡ生物芯片等。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而

诞生的，后者则是与生物技术结合的产物。（微电子技术对现代人类生活的影响极大，自从1947年第一个晶体管问世以来，微电子技术发展速猛。Intel公司的创始人之一Moore在上个世纪1965年研究指出，晶成电路上集成的晶体管数量每18个月将增加一倍，性能将提高一倍，而价格却不相应的增加，这就是所谓的摩尔定律（Moore，s Law）。根据美国半导体工业协会预测，至少到2016年，集成电路（IC）线宽依然按“摩尔定律”缩小下去，2016年可以达到25nm的技术水平。根据发表的大量资料可知，在2016年以后的十几年，芯片的特征尺寸将继续缩小。微电子技术新的发展及应用方向是系统芯片（SOC），它的发展时间可能会更长。所谓的系统芯片是随着微电子工艺向纳米级迁移和设计复杂度增加。

微电子技术的迅猛发展必将带来又一次技术和人才的革命性变革。微电子产品将如同细胞组成人体一样，成为现代工农业、国防装备和家庭耐用消费品的细胞，改变着社会的生产方式和人们的生活方式。微电子技术不仅成为现代产业和科学技术的基础，而且正在创造着代表信息时代的硅文化。人类继石器、青铜器、铁器时代之后正进入硅石时代。

微电子技术的发展特点

1.超高速：

从1958年TI研制出第一个集成电路触发器算起，到2003年Inter推出的奔腾4处理器（包含5500万个晶体管）和512Mb DRAM（包含超过5亿个晶体管），集成电路年平均增长率达到45%；

2.辐射面广：

集成电路的快速发展，极大地影响了社会的方方面面，因此微电子技术产业被列为支柱产业。

三、微电子技术的应用与发展

微电子技术对现代人类生活的影响极大，自从1947年第一个晶体管问世以来，微电子技术发展速猛。Intel公司的创始人之一Moore在上个世纪1965年研究指出，集成电路上集成的晶体管数量每18个月将增加一倍，性能将提高一倍，而价格却不相应的增加，这就是所谓的摩尔定律。根据美国半导体工业协会预测，至少到2016年，集成电路（IC）线宽依然按“摩尔定律”缩小下去，2016年可以达到25nm的技术水平。根据发表的大量资料可知，在2016年以后的十几年，芯片的特征尺寸将继续缩小。微电子技术新的发展及应用方向是系统芯片（SOC），它的发展时间可能会更长，所谓的系统芯片是随着微电子工艺向纳米级迁移和设计复杂度增加，一种新的产品把系统做在了芯片上，该芯片被称为系统芯片。系统芯片将逐渐取代微处理器，SOC必将成为今后微电子技术发展新宠之一。另外，微电子技术还会与其它技术相融合，诞生一系列新的经济和技术增长点，例如MEMS技术和生物芯片等。

一、微电子的集成技术

微电子器件的特征尺寸缩小将持继下去。目前，建立在以Si基材料为基础、CMOS器件为主流的半导体集成电路技术，其主流产品的特征尺寸已缩小到0.18~0.1m。硅基技术的高度成熟，硅基CMOS芯片应用的日益扩大，硅平面的加工工艺技术作为高新技术基础的高新加工技术也将持继下去。据国际权威机构预测，到2012年，微电子芯片加工技术将达到400mm硅片、50nm特征尺寸，到2016年，器件的最小特征尺寸应在13nm。然而，硅基CMOS的发展和任何事物一样，都有其产生、发展、成熟、衰亡的过程，不可能按摩尔定律揭示的规律长期的发展下去。随着特征尺寸的缩小，将达到器件结构的诸多物理限制。当代各种集成电路发展状况，越来越接近物理限制。

采用新材料的非经典CMOS必将发展起来，高K材料和新型的栅电极；采用非经典的FET器件结构；采用新工艺技术等。在非经典CMOS迫切需要解决的问题中，功耗是一个最严峻的问题，能否圆满解决这一问题，将是制约发展非经典CMOS发展的一个重要因素。

由芯片发展到系统芯片（SOC），是改善芯片集成技术的新举措。微电子器件的特征尺寸难于按摩尔定律无限的缩小下去，在芯片上增加集成器件是集成技术发展的另一方向。与当年从分立晶体管到集成芯片一样，系统芯片将是微电子技术领域中又一场新的革命。

微机电系统制造（Micro Electro Mechanical systems—MEMS）是微电子发展的另一方向，它的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使其成为真正的系统，也可以说是更广泛的SOC概念。MEMS不仅为传统的机械尺寸领域打开了新的大门，也真正实现了机电一体化。因此，它被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式、人类生活都有深远影响。

微机电系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令进行操作。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微机电系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生极大性影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微机电系统(MEMS)的研究已取得很多成果。在微传感器方面，利用物质的各种特性研制出了各种微型传感器；在微执生器方面有微型马达、微阀、微泵及各种专用微型机械已组成微化学系统和DNA反应室。此外，还有其它很多方面的应用。

微机电系统（MEMS）的制造，是从专用集成电路（ASIC）技术发展过来的，如同ASIC技术那样，可以用微电子工艺技术的方法批量制造。但比ASIC制造更加复杂，这是由于微机电系统（MEMS）的制造采用了诸如生物或者化学活化剂之类的特殊材料，是一种高水平的微米/纳米技术。微米制造技术包括对微米材料的加工和制造。纳米制造技术和工艺，除了包括微米制造的一些技术（如离子束光刻等）与工艺外，还包括利用材料的本质特性而对材料进行分子和原子量级的加工与排列技术和工艺等。

随着信息时代发展需要，后硅时代的将来还无法预料，但微电子方面的科学工作者普遍期望基于分子结构新方案和工作原理的发展，在基础研究方面，已有分子电子的设想，但还不能估计其技术可转换性。有机微电子技术、超导微电子技术、纳米电子技术等，都将是微电子领域新的亮点。

如今，微电子技术的应用越来越广泛，不仅在日常生活，而且在军工，科学研究等方面也有很深入的应用。然而，我国的微电子产业还处于发展阶段，国内的产品主要依赖进口。作为微电子专业的大学生，我们有责任，也有义务为我国的微电子产业的发展做出应有的贡献，让其成为我国又一大世界先进的产业。

在我国，电子信息产业已成为国民经济的支柱性产业，作为支撑信息产业的微电子技术，近年来在我国出现、崛起并以突飞猛进的速度发展起来。微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。