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1、1,信息科学 微电子技术走进神奇世界揭开神秘面纱长沙学院计算机科学与技术系-黄彩霞,2,小调查：半导体与晶体管？,3,半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。,4,光鲜的外表,5,2003年全球生产1018只晶
2、体管，人均超亿只。,朴实的内心,6,集成电路芯片的显微照片,裸片！,7,一颗芯片如何诞生？,封测,设计,需求,重点！,8,9,10,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,11,摩尔定律,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 倍。揭示一个令人震撼的世界！,12,特征尺寸,特征尺寸即CPU表面电路的特征线宽，我们常说的130nm制程、90nm制程指的就是CPU的特征尺寸。特征尺寸越小，单位面积内的晶体管集成度就越高。在微电子学中，特征尺寸通常指集成电路中半导体器件的最小尺寸，如MOS管的栅长，特征尺寸是衡量集成电路设
3、计和制造水平的重要尺度，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好。,13,MOSFET,NMOS PMOS CMOS,NMOS：N-channel metal-oxide-semiconductorPMOS：P-channel metal-oxide-semiconductorCMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor,14,特征尺寸,15,50m,100 m头发丝粗细,30m,1m 1m(晶体管的大小),3050m(皮肤细胞的大小),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,16,17,Single die
4、,Going up to 12”(300mm),Wafer,大生产的硅片直径已经从200mm转入300mm。2015年左右有可能出现400mm-450mm直径的硅片。,18,64M SDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,举例,19,20,小调查：半导体与晶体管？,21,半导体与掺杂,电子与空穴对 P型半导体 N型半导体 浓度,22,MOSFET,NMOS PMOS CMOS,23,工作原理,基本特性 I-V曲线 电路,24,集成电路：Integrated Circuit，缩写IC，就是人们通常所说的芯片将各种电子元器
5、件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。核心电子元器件是晶体管。,25,微电子技术：Microelectronics微电子技术是在半导体材料基片上采用微细加工工艺制造微小型化电子元器件、电路和系统的技术。核心是集成电路。,26,27,28,全家福,相片,29,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,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%,30,利润比较,31,点石成金 点石成金是从秦始皇开始的梦想，当人类的智慧刻在沙子上的时候，它变的比金子还金子。,32,33
6、,34,集成电路发展大事记,1947年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950年：结型晶体管诞生；1950年：R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺；1951年：场效应晶体管发明；1956年：C S Fuller发明了扩散工艺；1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯
7、片都是基于CMOS工艺；1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；1967年：应用材料公司（Applied Materials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司；1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；,35,集成电路发展大事记,1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；1976年：16kb DRAM和
8、4kb SRAM问世；1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世；1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM；1985年：80386微处理器问世，20MHz；1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段；1989年：1Mb DRAM进入市场；1
9、989年：486微处理器推出，25MHz，1m工艺，后来50MHz芯片采用0.8m工艺；1992年：64M位随机存储器问世；1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6工艺；1995年:Pentium Pro,133MHz，采用0.6-0.35工艺；1997年：300MHz奔腾问世,采用0.25工艺；1999年：奔腾问世，450MHz，采用0.25工艺，后采用0.18m工艺；2000年:1Gb RAM投放市场；2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18工艺；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13工艺。,36,37,Standard IC(standard Integ
10、rated Circuit)是标准单元集成电路。,ASSP(Application Specific Standard Parts)是为在特殊应用中使用而设计的集成电路。,ASIC(Application Specific Integrated Circuit)是专用集成电路。,38,39,IC设计,IC设计简单的说就是设计硬件电路。IC设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。,40,41,版图,电路的物理实现。,42,芯片制造,我们把电脑上设计出来的版图用光照到金属薄膜上，制造出掩膜。就象灯光从门缝透过来，
11、在地上形成光条，若光和金属薄膜能起作用而使金属薄膜在光照到的地方形成孔，那就在其表面有电路的地方形成了孔，这样就制作好了掩膜。我们再把刚制作好的掩膜盖在硅片上，当光通过掩膜照射，电路图就“印制”在硅晶片上。如果我们按照电路图使应该导电的地方连通，应该绝缘的地方断开，这样我们就在硅片上形成了所需要的电路。我们需要多个掩膜，形成上下多层连通的电路，那么就将原来的硅片制造成了芯片。,43,掩膜,在半导体制造中，许多芯片工艺步骤采用光刻技术，用于这些步骤的图形“底片”称为掩膜（也称作“掩模”），其作用是：在硅片上选定的区域中对一个不透明的图形模板掩膜，继而下面的腐蚀或扩散将只影响选定的区域。,44,光
12、刻技术,集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。,45,光刻技术,集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。,46,集成电路制造工艺,47,硅棒与晶圆,48,Single die,Going up to 12”(300mm),Wafer,大生产的硅片直径已经从200mm转入300mm。2015年左右有可能出现400mm-450mm直径的硅片。,49,硅棒与晶圆,50,芯片封装,封装就是安装半导体集成电路芯片用的外壳
13、。芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电路性能下降，所以封装是至关重要的。封装后的芯片也更便于安装和运输。封装的这些作用和包装是基本相似的，但它又有独特之处。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电路性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁-芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。,51,芯片封装,封装在IC制造产业链中之位置,Wafer Manufacturing,长晶,切片,倒角,抛光,Front End,氧化,扩散,硅片检测,光刻,沉积,刻蚀,植入,WaferTest,探针台测试,BackEnd,背磨,划片,封装,成品测试,CMP,52,芯片封装,53,芯片封装,54,55,56,硅微电子技术的三个主要发展方向特征尺寸继续等比例缩小集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等,57,谢 谢,
