大规模集成电路基础.ppt

1、1主 要 内 容2 33.1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述 集成电路（集成电路（Intergrated Circuit，IC）电路中的电路中的有源元件有源元件（二极管、晶体管等）、（二极管、晶体管等）、无源元件无源元件（电阻（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，底上，形成一块独立的不可分的整体电路，IC的各个引出端的各个引出端（又称（又称管脚管脚）就是该电路的）就是该电路的输入输入、输出输出、电源和地等的接线电源和地等的接线端。端。有源元件：有源元件：需能（电）源的器件叫有源器

2、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：集成电路的性能指标：集成度集成度 速度、功耗速度、功耗 特征尺寸特征尺寸 可靠性可靠性功耗延迟积：功耗延迟积：又称电路的优值，电路的延迟时间与功耗又称电路的优值，电路的延迟时间与功耗相乘，该值越小，相乘，该值越小，IC的速度越快或功耗越低，性能也好。的速度越快或功耗越低，性能也好。特征尺寸：特征尺寸：IC中半导体器件的最小尺度，如中半导体器件的最小尺度，如MOSFET的的

3、最小沟道长度或双极晶体管中的最小基区宽度，这是衡量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。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：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好的芯片数硅片上总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：成品率是芯片面积和缺陷密度的函数：（

4、1）Seed模型，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，模型，面积较小的芯片和成品率高于30%ADYe21ADeYAD7芯片（芯片（Chip）指没有封装的单个集成电路指没有封装的单个集成电路硅片（硅片（Wafer）包含成千上百个芯片的大圆硅片包含成千上百个芯片的大圆硅片8集成电路的制造过程：集成电路的制造过程：设计设计 工艺加工工艺加工 测试测试 封装封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计原理电路设计电路模拟电路模拟(SPICE)布局布局(Layout)考虑寄生因素后的再模

5、拟考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备原型电路制备测试、评测测试、评测产品产品工艺问题工艺问题定义问题定义问题不符合不符合不符合不符合集成电路发展的原动力：不断提高的性能集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比价格比9集成电路的关键技术：光刻技术集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：缩小尺寸：0.250.18m mm，增大硅片：，增大硅片：8英寸英寸12英寸英寸亚亚0.1m mm：一系列的挑战，：一系列的挑战，亚亚50nm：关键问题尚未解决：关键问题尚未解决新的光刻技术：新的光刻技术：EUV SCAPEL(Bell Lab.的的E-Beam)X-ray集成电路发展的特点：性能提高、

6、价格降低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主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积增大硅片面积10集成电路产业的发展趋势：集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（独立的设计公司（Design House）独立的制造厂家（标准的独立的制造厂家（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，

7、肖克莱（年，肖克莱（Shockley）点接触双极型晶体管）点接触双极型晶体管1950年，结型晶体管出现年，结型晶体管出现1952年，年，G.W.A.Dummer提出提出“固体功能块固体功能块”设想设想1958年，年，C.Kilby提出硅制作电阻、电容和晶体管，实现提出硅制作电阻、电容和晶体管，实现内部平面连接，制出了由硅内部平面连接，制出了由硅PN结电容、硅电阻器和硅晶结电容、硅电阻器和硅晶体管组成的全硅材料的相移振荡器。体管组成的全硅材料的相移振荡器。1959年，采用反向年，采用反向PN结隔离的全平面工艺硅半导体集成结隔离的全平面工艺硅半导体集成电路。电路。1961年，年，RTL系列的数字集

8、成电路问世，随后，系列的数字集成电路问世，随后，DTL/TTL/ECL/MOS集成电路出现，集成电路出现，IC飞速发展，成本飞速发展，成本下降。下降。122010年年0.09-0.07 m的的64G DRAM产品投入生产。产品投入生产。1968年试制的年试制的MOS存储器和存储器和1971年试制成功的微处理器年试制成功的微处理器标志着标志着IC技术已进入技术已进入大规模集成大规模集成的时代。的时代。1978年，年，64K动态动态RAM（DRAM),使单一芯片的集成度超使单一芯片的集成度超过了过了10万个晶体管，万个晶体管，IC技术进入技术进入超大规模超大规模时代。时代。1985年，年，225万

9、个晶体管的万个晶体管的1Mb DRAM进入单片集成进入单片集成100万个晶体管的时代。万个晶体管的时代。目前，目前，0.25mCMOS工艺技术为主流的微电子技术已进工艺技术为主流的微电子技术已进入大生产，可制作入大生产，可制作256Mb和和600MHz的微处理器芯片，集的微处理器芯片，集成数在成数在108-109量级。量级。133.2 双极集成电路基础双极集成电路基础有源元件：有源元件：双极晶体管（电子和空穴两种载流子）双极晶体管（电子和空穴两种载流子）无源元件：电阻、电容、电感等无源元件：电阻、电容、电感等优点：优点：双极双极IC具有速度快、稳定性好、负载能力强等特点，可制具有速度快、稳定性

10、好、负载能力强等特点，可制作数字作数字IC，又可制作模拟和微波，又可制作模拟和微波IC，随着多晶硅发射极双，随着多晶硅发射极双极晶体管，极晶体管，GeSi/Si异质结双极晶体管（异质结双极晶体管（HBT）等新型器件）等新型器件的发展，双极集成电路的速度已达到上百的发展，双极集成电路的速度已达到上百GHz（1G=109)14 15 16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17 PN结隔离的平面NPN双极晶体管的剖面图P衬底N+

11、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。22 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

12、)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补充：逻辑代数的三种基本运算三种基本运算是：与、或、非（反）。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

13、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。ABY000010100111252.或运算或运算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=AB逻辑符号：ABY1ABY+真值表ABY000011101111263.非门非门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：A1YAY国外

14、符号：ABYABYAY与门非门ABYABYAY与门非门或门AY0110274.一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 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 A B A B A+B AB A B真值表：(除与或非运算外）逻辑符号：&1=1=ABYABYABYABYYBAYBAYBAYBA国外符号：互为非逻辑关系28与或非逻辑与或非逻辑 A B C D Y 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0

15、0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0函数式形如：Y=AB+CD&1ABCDY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电阻电阻-晶体管逻辑晶体管逻辑(RTL)或非门或非门只要有一个输入信号为只要有一个输入信号为高电平，输出为低电平。高电平，输出为低电平。其输出低电平约为其输出低电平约为Vol=0.2V级联使用时输

16、出高电平级联使用时输出高电平Voh=1V特点：特点：电路的速度较慢，负载电路的速度较慢，负载能力和抗干扰能力较差。能力和抗干扰能力较差。304二极管二极管-晶体管逻辑晶体管逻辑(DTL)与非门与非门只要有一个输入信号为高只要有一个输入信号为高电平，输出为高电平。电平，输出为高电平。当所有输入都是高电平是，当所有输入都是高电平是，输出为低电平。输出为低电平。特点：特点：提高了负载能力和抗干扰提高了负载能力和抗干扰能力，但电路的速度慢。能力，但电路的速度慢。314晶体管晶体管-晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL)-速度和延迟功耗提高速度和延迟功耗提高4发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑(ECL)-器件只工作在

17、截止区和线性区，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、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。抗辐射性能好，但功耗大。4集成注入逻辑集成注入逻辑(I2L)-集成密度高、功耗低、功耗延迟积小、集成密度高、功耗低、功耗延迟积小、成本低，可制作高性能、低成本的数字成本低，可制作高性能、低成本的数字/模拟兼容集成电路。模拟兼容集成电路。32高速、低功耗和高集成密度高速、低功耗和高集成密度（门（门/mm2)是数字集成电路所追求是数字集成电路所追求的三个主要目标的三个主要目标33 34双极模拟集成电路双极模拟集成电路一般分为

18、：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。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、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。各类信号发生器。接口电路：如接口电路：如A/D转换器、转换器、D/A转换器、电平位移电路等转换器、电平位移电路等35 363.3 MOS集成电路基础集成电路基础以以MOS场效应晶体管为主要元件构成的集成电路。场效应晶体管为主要元件构成的集成

19、电路。CMOS具有功耗低、速度快、噪声容限大、可适应较宽的环具有功耗低、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，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技术的市场占有率超过95%。37MOSFET 按沟道导电按沟道导电 类型：类型：PMOS/NMOS/CMOS 按栅极材料分类：铝栅和硅栅按栅极材料分类：铝栅和硅栅38CMOS由由PMOSFET和和NMOSFET串联起来串联起来的一种电路形式。的一种电路形式。为了在同一硅衬底上同时制作出为了在同一硅衬底上同时制作出P沟和沟和N沟沟MOSFET，必，必须在同一硅衬

20、底上分别形成须在同一硅衬底上分别形成N型和型和P型区域，并在型区域，并在N型区域上制型区域上制作作PMOSFET，在，在P型区域上制作型区域上制作NMOSFET。39基本电路结构：基本电路结构：CMOS40 41MOS开关与反相器是开关与反相器是MOS数字集成电路的基本单元，数字电路数字集成电路的基本单元，数字电路中的任何复杂逻辑功能均可分解为中的任何复杂逻辑功能均可分解为“与与”“”“或或”“”“非非”操作。操作。1.MOS开关开关MOSFET处于大信号工作时，有导通和截止两种状态，因此可作处于大信号工作时，有导通和截止两种状态，因此可作为电子开关。为电子开关。42432.反相器反相器输出信

21、号与输入信号反相，能执行逻辑输出信号与输入信号反相，能执行逻辑“非非”功能。可分为功能。可分为静态反相器和动态反相器。静态反相器和动态反相器。驱动元件：增强型驱动元件：增强型MOSFET,以便以便极间直接耦合。极间直接耦合。负载元件：电阻负载负载元件：电阻负载 增强负载增强负载 耗尽负载耗尽负载 互补负载互补负载 有比反相器有比反相器/无比反相器无比反相器反相器44评价评价MOS反相器性能的主要指标：反相器性能的主要指标：输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平反相器阈值电压反相器阈值电压直流噪声容限直流噪声容限直流功耗直流功耗瞬态特性瞬态特性芯片面积芯片面积工艺难度和兼容性工艺难度和兼容性稳

22、定性和瞬态功耗等稳定性和瞬态功耗等453.开关串开关串/并联的逻辑特性并联的逻辑特性单个单个MOS 开关及其串、并联电路的逻辑状态由施加在开关开关及其串、并联电路的逻辑状态由施加在开关管栅上的控制信号决定，对于管栅上的控制信号决定，对于NMOS开关，其逻辑状态可表开关，其逻辑状态可表示为：示为：VG=VH时，开关逻辑状态为时，开关逻辑状态为“ON”；VG=VL时，开关逻辑状态为时，开关逻辑状态为“OFF”；46串联开关串联开关G=G1G247并联开关并联开关G=G1+G2484.传输门逻辑传输门逻辑 当当MOS开关导通时，信号可直接从一端传送到另一端，开关导通时，信号可直接从一端传送到另一端，

23、MOS开关称为传输门。开关称为传输门。主要内容n存储器的种类n存储器的基本结构n随机存取存储器n掩模只读存储器n可编程只读存储器同济大学电子科学与技术系1-495.存储器存储器 n存储器：保存信息读出信息n最小记忆单元通常为二进制“位”0或1n半导体存储器已经成为计算机的主要存储器件（之一）非半导体存储器：磁盘（硬盘）、光盘、磁带等半导体：内存、U盘、CPU中的缓存等同济大学电子科学与技术系1-50同济大学电子科学与技术系1-51n90nm 7层铜工艺，n0.8V电压下达到2.0GHzn17.2亿只晶体管，6平方厘米n两个双线程安腾处理器核n每个核具有1兆字节二级缓存和12兆字节三级缓存 In

24、tel Montecito 处理器半导体存储器的种类（按功能）n随机存取存储器Random Access Memory,RAMn只读存储器Read Only Memory,ROMn特点：高密度、大容量、高速度、低功耗同济大学电子科学与技术系1-52注：教材中按功能分类为注：教材中按功能分类为RAM、ROM是不合理的。例如有些可读可是不合理的。例如有些可读可写的存储器不是可随机存取的写的存储器不是可随机存取的n存储单元阵列n地址译码器n读写电路n时序控制电路同济大学电子科学与技术系1-53半导体存储器的基本结构半导体存储器的基本结构同济大学电子科学与技术系1-54Row Dec o d e rB

25、it lin e2L2KWord li n eAKAK1 1AL2 1A0M.2KAK2 1Sense a m p l i f ie rs/DriversColumn d e c o derInput-O u t p u t(M bits)Storage c e l lAmplify swing torail-to-rail amplitudeSelects appropriateword时序控制电路随机存取存储器(RAM)nDRAM-Dynamic同济大学电子科学与技术系1-55M1CSWLBLCBLVDD2VTWLXsensingBLGNDWrite 1Read 1VDDVDD/2VDD/

26、2掩模只读存储器(ROM)n非易失性n制造阶段就将待存储的信息作为掩模图形固化n可任意读出、不可改写同济大学电子科学与技术系1-56常见的ROM基本存储单元电路同济大学电子科学与技术系1-57WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiode ROMMOS ROM 1MOS ROM 2可编程只读存储器PROMnP-Programmablen电可编程：基于浮栅场效应晶体管n控制栅和浮置栅两层栅结构同济大学电子科学与技术系1-58Floating gateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtoxDevice cross-sectionSche

27、matic symbolGSD同济大学电子科学与技术系1-59Floating-Gate Transistor Programming0 V-5 V0 VDSRemoving programming voltage leaves charge trapped5 V-2.5 V5 VDSProgramming results in higher VT.20 V10 V 5 V20 VDSAvalanche injection存储1或0：编程使阈值电压变化同济大学电子科学与技术系1-60“0”-state“1”-stateDVTVWLVGS“ON”“OFF”ID61 626364656667686

28、93.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势影响集成电路性能的因素和发展趋势 有源器件有源器件 无源器件无源器件 隔离区隔离区 互连线互连线 钝化保护层钝化保护层 寄生效应：电容、有源器件、寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感电阻、电感703.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：器件的门延迟：迁移率迁移率 沟道长度沟道长度电路的互连延迟：电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）线电容（介电常数、面积）途径：途径：提高迁移率，如提高迁移率，如GeSi材料材料减小沟道长度减小沟道长度互连的类别：互连的类别：

29、芯片内互连、芯片间互连芯片内互连、芯片间互连 长线互连长线互连(Global)中等线互连中等线互连 短线互连短线互连(Local)71门延迟时间与沟到长度的关系门延迟时间与沟到长度的关系7273减小互连的途径：减小互连的途径：增加互连层数增加互连层数 增大互连线截面增大互连线截面 Cu互连、互连、Low K介质介质 多芯片模块（多芯片模块（MCM）系统芯片（系统芯片（System on a chip）减小特征尺寸、提高集成度、减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、互连、系统优化设计、SOC74集成电集成电路芯片路芯片中金属中金属互连线互连线所占的所占的面积与面积与电路规电路规模的关

30、模的关系曲线系曲线 75互连线宽与互连线延迟的关系互连线宽与互连线延迟的关系76互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：（资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998Solidstate Technology Oct.,1998）77 M aterials in Silicon-B ased M icroelectronics porous silicon BN(Boron N itride)Low D ielectrics Polym er Pt RuO2(ruthenium O xide)IrO2(Iridium O xide)SrR

31、uO3 Electrode (LaSr)CoO3 M aterials Y Ba2Cu3O7 SrB i2TA5O9 Pb(Zr,Ti)O3 Ferro Electrocs (Pb,La)(Zr,Ti)O3 Ta2O5 TiO2 B ST(Barium ST)High Dielectrics ST(Strontium Titanate)TiN TiN/Ti Cu/TiN M etals Cu W PtSi2 CoSi2 TiSi2 Silicides M oSi2 TaSi2 Si3N4 Polysilicon A l SiO2 Si 1970 1980 1990 2000 2010Q uan

32、tum leap in new m aterials集成电路中的材料集成电路中的材料78小结小结 Bipolar：n基区基区(Base)，基区宽度，基区宽度Wbn发射区发射区(Emitter)n收集区收集区(Collector)nNPN，PNPn共发射极特性曲线共发射极特性曲线n放大倍数放大倍数、n特征频率特征频率fT79小结小结 MOS 沟道区沟道区(Channel)，沟道长度，沟道长度L，沟道宽度，沟道宽度W 栅极栅极(Gate)源区源区/源极源极(Source)漏区漏区/漏极漏极(Drain)NMOS、PMOS、CMOS 阈值电压阈值电压Vt，击穿电压，击穿电压 特性曲线、转移特性曲线特性曲线、转移特性曲线 泄漏电流泄漏电流(截止电流截止电流)、驱动电流、驱动电流(导通电流导通电流)80小结小结 器件结构器件结构 双极器件的纵向截面结构、俯视结构双极器件的纵向截面结构、俯视结构 CMOS器件的纵向截面结构、俯视结构器件的纵向截面结构、俯视结构 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 IC：有源器件、无源器件、隔离区、互：有源器件、无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层连线、钝化保护层