大规模集成电路基础.ppt

1主 要 内 容n n微电子技术简介微电子技术简介n n半导体物理和器件物理基础半导体物理和器件物理基础n n大规模集成电路基础大规模集成电路基础 n n集成电路制造工艺集成电路制造工艺n n集成电路设计集成电路设计 n n集成电路设计的集成电路设计的CADCAD系统系统 n n几类重要的特种微电子器件几类重要的特种微电子器件 n n微机电系统微机电系统 n n微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势 23.1 3.1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述 3.2 3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础 3.3 MOS3.3 MOS集成电路基础集成电路基础33. 1 半导体集成电路概述集成电路（Intergrated Circuit，IC）电路中的有源元件（二极管、晶体管等）、无源元件（电阻 和电容等）以及它们之间的互连引线等一起制作在半导体衬 底上，形成一块独立的不可分的整体电路，IC的各个引出端 （又称管脚）就是该电路的输入、输出、电源和地等的接线 端有源元件：需能（电）源的器件叫有源器件，有源器件一般用来信号放大、 变换等，IC、模块等都是有源器件。

无源元件：无需能（电）源的器件就是无源器件无源器件用来进行信号传输 ，或者通过方向性进行“信号放大”容、阻、感都是无源器件，45集成电路的性能指标：集成度速度、功耗特征尺寸可靠性功耗延迟积：又称电路的优值，电路的延迟时间与功耗 相乘，该值越小，IC的速度越快或功耗越低，性能也好特征尺寸：IC中半导体器件的最小尺度，如MOSFET的 最小沟道长度或双极晶体管中的最小基区宽度，这是衡量 IC加工和设计水平的重要参数，特征尺寸越小，加工精度 越高，可能达到的集成度也越大，性能越好6集成电路制造过程中的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成 品率对集成电路厂家很重要成品率是芯片面积和缺陷密度的函数 ：（1）Seed模型，A芯片面积，D缺陷密度，该模型通常适用于面积较大的芯片和 成品率低于30%的情况2）Murphy模型，面积较小的芯片和成品率高于30%7芯片（Chip） 指没有封装的单个集成电路硅片（Wafer） 包含成千上百个芯片的大圆硅片8集成电路的制造过程：设计 工艺加工 测试 封装定义电路的输入输出（电路指标、性能 ） 原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比9集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.25~0.18mm，增大硅片：8英寸~12英寸亚0.1mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术：EUVSCAPEL(Bell Lab.的E-Beam)X-ray集成电路发展的特点：性能提高、价格降低主要途径：缩小器件的特征尺寸增大硅片面积10集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（Design House）独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等111947年，肖克莱（Shockley）点接触双极型晶体管1950年，结型晶体管出现1952年，G.W.A.Dummer提出“固体功能块”设想1958年，C.Kilby提出硅制作电阻、电容和晶体管，实现 内部平面连接，制出了由硅PN结电容、硅电阻器和硅晶 体管组成的全硅材料的相移振荡器。

1959年，采用反向PN结隔离的全平面工艺硅半导体集成 电路1961年，RTL系列的数字集成电路问世，随后， DTL/TTL/ECL/MOS集成电路出现，IC飞速发展，成本 下降122010年0.09-0.07 μm的64G DRAM产产品投入生产产1968年试制的MOS存储器和1971年试制成功的微处理器 标志着IC技术已进入大规模集成的时代1978年，64K动态RAM（DRAM),使单一芯片的集成度超 过了10万个晶体管，IC技术进入超大规模时代1985年，225万个晶体管的1Mb DRAM进入单片集成100 万个晶体管的时代目前，0.25μmCMOS工艺艺技术为术为 主流的微电电子技术术已进进 入大生产产，可制作256Mb和600MHz的微处处理器芯片，集 成数在108-109量级级133.2 双极集成电路基础有源元件：双极晶体管（电子和空穴两种载流子）无源元件：电阻、电容、电感等优点：双极IC具有速度快、稳定性好、负载能力强等特点，可制 作数字IC，又可制作模拟和微波IC，随着多晶硅发射极双 极晶体管，GeSi/Si异质结双极晶体管（HBT）等新型器件 的发展，双极集成电路的速度已达到上百GHz（1G=109)143.1 3.1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述 3.2 3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础 3.3 MOS3.3 MOS集成电路基础集成电路基础153.2.1 3.2.1 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管 3.2.2 3.2.2 双极数字集成电路双极数字集成电路 3.3.3 3.3.3 双极模拟集成电路双极模拟集成电路163.2.1 3.2.1 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管制备要求:器件制作在同一硅片上，要求器件相互间电绝缘 而成为各自相互独立的器件，再用金属导电薄膜将他们按 电路要求相互链接起来。

隔离区隔离方法：反向PN结隔离全介质沟槽隔离等平面PN结-介质混合隔离场氧隔离17PN结隔离的平面NPN双极晶体管的剖面图P衬底N+隐埋层N-外延层P型层N+层1819使用目的：放大晶体管/开关晶体管 放大管工作电压20V，BVceo=25V，BVcbo=50V 开关管工作电压5V20两种晶体管均制作在高电阻率的硅外延层上轻掺杂外延层目的:提高收集结的反向击穿电压；获得易于控制的高性能 收集区； 高掺杂埋层：提高收集极的导电性能，降低收集极串联电阻；21放大管击穿电压较高：外延层厚度和电阻率较大，其芯片面 积较大223.2.1 3.2.1 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管 3.2.2 3.2.2 双极数字集成电路双极数字集成电路 3.3.3 3.3.3 双极模拟集成电路双极模拟集成电路23在数字集成电路中，完成各种逻辑运算和变换的电路称为逻 辑电路，组成逻辑电路的基本单元是门电路和触发器电路根据基本单元电路工作特点的不同，大致可分为： （1）饱和型逻辑集成电路电阻耦合型—电阻-晶体管逻辑（RTL)二极管耦合—二极管-晶体管逻辑（DTL) 高阈值逻辑（ HTL)晶体管耦合—晶体管-晶体管逻辑（TTL)合并晶体管—集成注入逻辑（I2L) （2）抗饱和型逻辑集成电路肖特基二极管钳位（TTL)发射极功能逻辑（EFL) （3）非饱和型逻辑集成电路电流型逻辑（CML）即发射极耦合逻辑ECL互补晶体管逻辑CTL非阈值逻辑NTL多元逻辑DYL24补充：逻辑代数的三种基本运算 三种基本运算是：与、或、非（反）。

1.与运算可用开关图来说明： ABY该图代表的逻辑关系是：决 定事件的全部条件都满足时， 事件才发生——这就是与逻辑 关系用1表示开关接通，1表示灯 亮，可得如下真值表：在函数式中，用. 表示与运 算，记做 Y=A.B 或Y=AB 逻辑符号：&ABYABY只有输入全为1 时，输出才为1它们都有集成门电路与之对应ABY 000 010 100 111252.或运算ABY该图代表的逻辑关系是：决 定事件的全部条件至少有一个 满足时，事件就发生——这就 是或逻辑关系输入有一个为1 时，输出就为1在函数式中，用＋ 表示或 运算，记做 Y=A＋B逻辑符号：ABY1ABY+真值表ABY 000 011 101 111263.非门ARY该图代表的逻辑关系是：决 定事件的条件满足时，事件不 发生——这就是非逻辑关系真值表在函数式中，用_ 表示非 运算，记做Y=A逻辑符号： A 1YAY国外符号：ABYABYAY与门非门ABYABYAY与门非门或门AY 01 10274.一些常用的复合逻辑运算用两个以上基本运算构成的逻辑运算包括与非、或非、 与或非、异或和同或运算和三个基本运算一样，它们都有集 成门电路与之对应。

1 0 0 0 1 10 1 0 1 1 00 1 0 1 0 11 0 1 1 0 0A B A B A+B AB A B真值表：(除与或非运算外）逻辑符号：&=1=A BYA BYA BYA BYY BAYBAYBAYBA国外符号：互为非逻辑关系28•与或非逻辑A B C DY0 0 0 010 0 0 1 10 0 1 0 10 0 1 1 00 1 0 0 10 1 0 1 10 1 1 0 10 1 1 1 01 0 0 0 11 0 0 1 11 0 1 0 11 0 1 1 01 1 0 0 01 1 0 1 01 1 1 0 01 1 1 1 0函数式形如：Y= AB + CD&ABCDY逻辑符号：A与B等于1，或者C 与D等于1，Y等于0 真值表：异或的逻辑式：同或的逻辑式： Y=AB+ABY=A B + A B294电阻-晶体管逻辑 (RTL)或非门 只要有一个输入信号为 高电平，输出为低电平 。

其输出低电平约为 Vol=0.2V 级联使用时输出高电平 Voh=1V 特点： 电路的速度较慢，负载 能力和抗干扰能力较差 304二极管-晶体管逻辑 (DTL)与非门 只要有一个输入信号为高 电平，输出为高电平 当所有输入都是高电平是 ，输出为低电平 特点： 提高了负载能力和抗干扰 能力，但电路的速度慢314晶体管-晶体管逻辑 (TTL)---速度和延迟功耗提高4发射极耦合逻辑 (ECL)----器件只工作在截止区和线性区， 不进入饱和区，是非饱和型逻辑电路速度快、逻辑功能强 、抗辐射性能好，但功耗大4集成注入逻辑 (I2L)----集成密度高、功耗低、功耗延迟积小 、成本低，可制作高性能、低成本的数字/模拟兼容集成电路 32高速、低功耗和高集成密度（门/mm2)是数字集成电路所追求 的三个主要目标333.2.1 3.2.1 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管 3.2.2 3.2.2 双极数字集成电路双极数字集成电路 3.3.3 3.3.3 双极模拟集成电路双极模拟集成电路34双极模拟集成电路一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）：运算放大器、直流 放大器、音频放大器、中频放大器、宽带放大器、功率放 大器、稳压器等。

非线性电路：对数放大器、电压比较器、调制或解调器、 各类信号发生器接口电路：如A/D转换器、D/A转换器、电平位移电路等353.1 3.1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述 3.2 3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础 3.3 MOS3.3 MOS集成电路基础集成电路基础363.3 MOS集成电路基础以MOS场效应晶体管为主要元件构成的集成电路 CMOS具有功耗低、速度快、噪声容限大、可适应较宽的环 境温度和电源电压、易集成、可等比例缩小等一系列优点， CMOS技术的市场占有率超过95%3.3.1 3.3.1 集成电路中的集成电路中的MOSFETMOSFET 3.3.2 MOS3.3.2 MOS数字集成电路数字集成电路 3.3.3 CMOS3.3.3 CMOS集成电路集成电路373.3.1 3.3.1 集成电路中的集成电路中的MO。