半导体集成电路绪论.ppt

1 半导体集成电路 天津职业技术师范大学电子工程学院2010年10月 任课教师裴志军E mail teacherpei 2 一 课程的任务本课程的任务是 在巩固电子类专业基础课 电路分析 数电 模电 及相关专业课程 半导体物理 半导体器件 的前提下 学习并掌握IC的基本单元结构 工作原理及其电学特性 集成电路工艺及其进展 集成电路的拓扑及版图的分析与设计 3 二 教材1 半导体集成电路 第2版 朱正涌编著 清华大学出版杜2009年 4 授课大纲 64学时 绪论第1章集成电路的基本制造工艺第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应第3章集成电路中的无源元件第4章晶体管 晶体管逻辑 TTL 电路第5章发射极耦合 ECL 逻辑电路第6章集成注入逻辑 I2L 电路的芯片解剖第7章MOS反相器第8章MOS基本逻辑单元第9章MOS逻辑功能部件 X 第10章存储器第11章接口电路第12章模拟集成电路中的基本单元电路第13章集成运算放大器第14章MOS开关电容电路第15章集成稳压器第16章D A A D变换器 X 5 CourseStructure Timetable6perweek 周一 3 4节 2教学楼407周四 1 2节 3教学楼302周五 3 4节 3教学楼107privatetutorials Spice Assessment20 CourseworkandExperiments80 Exam 6 绪论 0 前言 1 集成电路的分类 2 集成电路工艺技术水平的技术指标 3 集成电路设计与制造的主要流程框架 4 微电子科学技术的发展历史 5 微电子发展的规律 6 半导体IC技术发展趋势 7 0 前言 图1 各种真空管的照片 图1 电子管也称为真空管 Vacuumtube 它是在一个抽成真空的玻璃泡中封有一些电极而制成的 真空管是第一代电子器件 基本的电子器件 8 第一代 电子管计算机 1946 1955 逻辑元件电子管内存延迟线或磁芯外存纸带 卡片或磁带工作速度几千 几万次 秒软件机器语言或汇编语言应用科学计算代表机型ENIAC 9 半导体器件是二十世纪五十年代发展起来的 特别是1948年晶体管 Transistor isshortfor TransferResistor 的发明 对电子技术的发展起到了决定性的作用 图2和图3是各种半导体二极管和三极管的照片 图2各种半导体二极管的照片 图3各种半导体三极管的照片 10 第二代 晶体管计算机 1955 1964 逻辑元件晶体管内存磁芯外存磁带或磁盘工作速度几十万次 秒软件高级算法语言应用事务管理及工业控制代表机型IBM7000系列 11 随后在半导体器件的基础上发展起来的集成电路 使电子技术进入了一个新的里程碑 集成电路的不断发展 从小规模集成电路到中规模 大规模集成电路 以及发展到超大规模集成电路 可以把过去一台仪器所包括的电子电路集成到一块芯片之中 图4各种集成电路的照片 12 第三代 集成电路计算机 1964 1970 逻辑元件中小规模集成电路内存半导体存储器外存磁带或磁盘工作速度几十万 几千万次 秒软件高级算法语言 操作系统应用计算 管理及控制代表机型IBMSystem 360 13 第四代 大规模集成电路计算机 逻辑元件 超 大规模集成电路内存半导体存储器外存磁盘和光盘工作速度几百万 几千万次 秒软件操作系统和应用软件应用以计算机网络为特征微型计算机属于第四代计算机 IntelPENTIUM 1971年 现在 14 第五代 智能化计算机 主攻目标 让计算机具有人的听 说 读 写和思维推理能力 神经网络计算机 生物计算机 15 几个概念 微电子学 Microelectronics一门学科 一门研究集成电路设计 制造 测试 封装等全过程的学科 半导体 Semiconductor内涵及外延均与微电子类似 是早期的叫法 集成电路IC IntegrateCircuit 一类元器件的统称 该类器件广泛应用于电子信息产业 几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成 芯片 chip die没有封装的集成电路 但通常也与集成电路混用 作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SoC SystemonaChip 微电子学和集成电路技术发展的产物 指在单芯片上实现系统级的功能 16 IntegratedCircuit IC通过一系列特定的加工工艺 将晶体管 二极管等有源器件和电阻 电容等无源器件 按照一定的电路互连 集成 在一块半导体单晶片 如硅或砷化镓 上 封装在一个外壳内 执行特定电路或系统功能 17 根据工艺和结构的不同 可将IC分为三类 半导体IC或称单片 Monolithic IC膜IC 又可分为两种 厚膜电路 薄膜电路 用于制作电阻器 电容器以及相互间的电连接 混合IC HybridIC 指将两个或更多的不同类型集成电路芯片 有时也包括一些分立元件 组合成一个整体 密封在一个管壳内 构成所谓HIC 1 集成电路分类 18 按器件结构类型分类 双极集成电路 主要由双极晶体管构成只含NPN型晶体管的双极集成电路 数字电路 含NPN型及PNP型晶体管的双极集成电路 模拟电路 金属 氧化物 半导体 MOS 集成电路 主要由MOS晶体管 单极晶体管 构成NMOSPMOSCMOS 互补MOS 双极 MOS Bi MOS 集成电路 同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi MOS集成电路 综合了双极和MOS器件两者的优点 但工艺复杂 优点是速度高 驱动能力强 缺点是功耗较大 集成度较低 功耗低 集成度高 随着特征尺寸缩小 速度也可以很高 19 按集成电路规模分类 小规模集成电路 SmallScaleIC SSI 中规模集成电路 MediumScaleIC MSI 大规模集成电路 LargeScaleIC LSI 超大规模集成电路 VeryLargeScaleIC VLSI 特大规模集成电路 UltraLargeScaleIC ULSI 巨大规模集成电路 GiganticScaleIC GSI 尽管英语中有VLSI ULSl和GSI之分 但VLSI使用最频繁 其含义往往包括了ULSI和GSI 中文中把VLSI译为超大规模集成 更是包含了ULSI和GSI的意义 20 集成电路规模 此外 按电路功能和所处理信号的不同 可分数字或逻辑IC Digital LogicIC 模拟IC AnalogIC 和数模混合IC Digital AnalogMixedIC 21 集成电路的分类 22 2 描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标1 集成度 IntegrationLevel 是以一个IC芯片所包含的元件 晶体管或门 数 来衡量 包括有源和无源元件 自IC问世以来 集成度不断提高 现正迈向巨大规模集成 GigaScaleIntegration GSl 从电子系统的角度来看 集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统 SoC 的时代 23 2 特征尺寸 FeatureSize CriticalDimension 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度 对MOS器件而言 通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度 也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半 集成电路的特征尺寸向深亚微米发展 目前的规模化生产是0 18 m 0 15 m 0 13 m工艺 Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0 09 m 特征尺寸从4 m 70nm的成比例减少的线条 24 100 m头发丝粗细 50 m 30 m 接触孔0 8 m 0 8 m 2 m 2 m 晶体管的大小 金属化引线粗细 30 50 m 皮肤细胞的大小 集成电路中晶体管大小 接触孔大小和金属化引线的粗细与人类头发丝粗细 皮肤细胞大小的比较 1 m 15nm 4 25 3 晶片直径 WaferDiameter 为了提高集成度 可适当增大芯片面积 然而 芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少 从而使生产效率降低 成本高 采用更大直径的晶片可解决这一问题 晶圆的尺寸增加 当前的主流晶圆的尺寸为8吋 正在向12吋晶圆迈进 下图自左到右给出的是从2吋 12吋按比例画出的圆 尺寸从2吋 12吋成比例增加的晶圆 26 通过下图以人的脸面相对照 我们可以对一个12吋晶圆的大小建立一个直观的印象 一个12吋晶圆与人脸大小的对比 27 4 芯片面积 ChipArea 随着集成度的提高 每芯片所包含的晶体管数不断增多 平均芯片面积也随之增大 5 封装 Package IC的封装最初采用插孔封装THP through holepackage 形式 为适应电子设备高密度组装的要求 表面安装封装 SMP 技术迅速发展起来 28 3 集成电路设计与制造主要流程 29 硅单晶片与加工好的硅片 30 集成电路芯片的显微照片 4 4mm 31 封装好的集成电路 封装与测试业 32 1946年1月 Bell实验室正式成立半导体研究小组 W Schokley肖克莱 J Bardeen巴丁 W H Brattain布拉顿 Bardeen提出了表面态理论 Schokley给出了实现放大器的基本设想 Brattain设计了实验 1947年12月23日 第一次观测到了具有放大作用的晶体管 4 微电子科学技术发展历史1 晶体管的发明 33 34 世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管 35 1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山 MountainView 贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱 WilliamShockley 1910 1989 美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁 JohnBardeen 1908 1991 和美国纽约州缪勒海尔 MurrayHill 贝尔电话实验室的布拉顿 WalterBrattain 1902 1987 以表彰他们在1947年12月23日发明第一个对半导体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发现 36 2 集成电路的发明 1952年5月 英国科学家G W A Dummer达默第一次提出了集成电路的设想 1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比 ClairKilby 为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路 并于1959年公布该结果 37 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 38 1958年发明第一块简单IC的美国TI公司JackS Kilby杰克 基尔比 美国加利福尼亚大学的赫伯特 克勒默和俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯 阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖 以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献 特别是他们发明的IC 激光二极管和异质晶体管 赫伯特 克勒默杰克 基尔比泽罗斯 阿尔费罗夫 39 1959年美国仙童 飞兆公司 Fairchilds 的R Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术 从而推动了IC制造业的大发展 1959年仙童公司制造的IC 年轻时代的诺伊斯 40 60年代TTL ECL出现并得到广泛应用 1966年MOSLSI发明 70年代MOSLSI得到大发展 出现集成化微处理器 存储器 VLSI 典型产品64KDRAM 16位MPU 80年代VLSI出现 使IC进入了崭新阶段 典型产品4MDRAM 90年代ASIC ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现 21世纪集成电路复杂度不断增加 系统芯片或称芯片系统SoC System on Chip 成为开发目标 纳米器件与电路等领域的研究已展开 集成电路发展简史 41 Intel45纳米芯片是发展着的摩尔定律最新实践 28纳米芯片开发 42 不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力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 这就是摩尔定律 5 微电子发展的规律 43 TheMoore sLaw 44 集成电路技术是近50年来发展最快技术表1微电子技术的进步 按此比率下降 小汽车价格不到1美分 FromS M SZE 45 Moore sLaw Quantitative 微电子技术是50年来发展最快的技术 46 1979年3月16Bit2 9万晶体管5到8MHz1 5 m 1985年10月32Bit27 5万晶体管16到32MHz1 m 8088 Intel386 1971年第一个微处理器40042000多个晶体管10 m的PMOS工艺 1982年286微处理器13 4万个晶体管频率6MHz 8MHz 10MHz和12 5MHz 微处理器的发展 4044 47 1989年4月25到50MHz1 0 8 m32Bit120万晶体管 Intel486 Pentium 1993年3月32Bit310万晶体管60到166MHz0 8 m 48 P6 PentiumPro in1996150to200MHzclockrate196mm 25500Ktransistors externalcache 0 35micron4layersmetal3 3voltVDD 20WtypicalpowerDissipation387pins 49 1999年2月 英特尔推出PentiumIII处理器 整合950万个晶体管 0 25 m工艺制造 2002年1月推出的Pentium4处理器 其整合5500万个晶体管 采用0 13 m工艺生产2002年8月13日 英特尔开始90nm制程的突破 业内首次在生产中采用应变硅