大规模集成电路基础.ppt

1 主要内容 微电子技术简介半导体物理和器件物理基础大规模集成电路基础集成电路制造工艺集成电路设计集成电路设计的CAD系统几类重要的特种微电子器件微机电系统微电子技术发展的规律和趋势 2 3 1半导体集成电路概述3 2双极集成电路基础3 3MOS集成电路基础 3 3 1半导体集成电路概述 集成电路 IntergratedCircuit 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 4 5 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 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 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 BellLab 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 DesignHouse 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 11 1947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 12 2010年0 09 0 07 m的64GDRAM产品投入生产 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1MbDRAM进入单片集成100万个晶体管的时代 目前 0 25 mCMOS工艺技术为主流的微电子技术已进入大生产 可制作256Mb和600MHz的微处理器芯片 集成数在108 109量级 13 3 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 14 3 1半导体集成电路概述3 2双极集成电路基础3 3MOS集成电路基础 15 3 2 1集成电路中的双极晶体管3 2 2双极数字集成电路3 3 3双极模拟集成电路 16 3 2 1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 17 PN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 18 19 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5V 20 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 3 2 1集成电路中的双极晶体管3 2 2双极数字集成电路3 3 3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DYL 24 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 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 A B Y 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 25 2 或运算 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 A B Y 真值表 26 3 非门 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 逻辑符号 A Y 国外符号 27 4 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 真值表 除与或非运算外 逻辑符号 国外符号 互为非逻辑关系 28 与或非逻辑 函数式形如 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 29 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 30 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 31 晶体管 晶体管逻辑 TTL 速度和延迟功耗提高 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 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 33 3 2 1集成电路中的双极晶体管3 2 2双极数字集成电路3 3 3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 35 3 1半导体集成电路概述3 2双极集成电路基础3 3MOS集成电路基础 36 3 3MOS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集成电路中的MOSFET3 3 2MOS数字集成电路3 3 3CMOS集成电路 37 3 3 1集成电路中的MOSFET MOSFET按沟道导电类型 PMOS NMOS CMOS按栅极材料分类 铝栅和硅栅 38 CMOS由PMOSFET和NMOSFET串联起来的一种电路形式 为了在同一硅衬底上同时制作出P沟和N沟MOSFET 必须在同一硅衬底上分别形成N型和P型区域 并在N型区域上制作PMOSFET 在P型区域上制作NMOSFET 39 基本电路结构 CMOS 40 3 3 1集成电路中的MOSFET3 3 2MOS数字集成电路3 3 3CMOS集成电路 41 MOS开关与反相器是MOS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 与 或 非 操作 1 MOS开关MOSFET处于大信号工作时 有导通和截止两种状态 因此可作为电子开关 上拉开关 下拉开关 传输门 42 I为输入端 接驱动信号 O为输出端 接容性负载 G为控制端 接控制信号 当控制端加上一个足够高的固定电压 在稳定情况下 直流输出电压Vo与直流输入电压VI的关系为MOS直流传输特性 Vo VI非饱和区工作 VI VG VT沟道夹断 43 2 反相器输出信号与输入信号反相 能执行逻辑 非 功能 可分为静态反相器和动态反相器 驱动元件 增强型MOSFET 以便极间直接耦合 负载元件 电阻负载增强负载耗尽负载互补负载有比反相器 无比反相器 反相器 44 评价MOS反相器性能的主要指标 输出高电平 输出低电平 反相器阈值电压 直流噪声容限 直流功耗 瞬态特性 芯片面积 工艺难度和兼容性 稳定性和瞬态功耗等 45 3 开关串 并联的逻辑特性单个MOS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NMOS开关 其逻辑状态可表示为 VG VH时 开关逻辑状态为 ON VG VL时 开关逻辑状态为 OFF 46 串联开关G G1 G2 47 并联开关G G1 G2 48 4 传输门逻辑当MOS开关导通时 信号可直接从一端传送到另一端 MOS开关称为传输门 主要内容 存储器的种类存储器的基本结构随机存取存储器掩模只读存储器可编程只读存储器 同济大学电子科学与技术系 1 49 5 存储器 存储器 保存信息读出信息最小记忆单元通常为二进制 位 0或1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 51 90nm7层铜工艺 0 8V电压下达到2 0GHz17 2亿只晶体管 6平方厘米两个双线程安腾处理器核每个核具有1兆字节二级缓存和12兆字节三级缓存 IntelMontecito处理器 半导体存储器的种类 按功能 随机存取存储器RandomAccessMemory RAM只读存储器ReadOnlyMemory ROM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RAM ROM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 存储单元阵列地址译码器读写电路时序控制电路 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 54 Amplifyswingto rail to railamplitude Selectsappropriate word 时序控制电路 随机存取存储器 RAM DRAM Dynamic 同济大学电子科学与技术系 1 55 掩模只读存储器 ROM 非易失性制造阶段就将待存储的信息作为掩模图形固化可任意读出 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 57 可编程只读存储器PROM P Programmable电可编程 基于浮栅场效应晶体管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 58 同济大学电子科学与技术系 1 59 Floating GateTransistorProgramming 0V 5V 0V D S Removingprogrammingvoltageleaveschargetrapped 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 61 3 3 1集成电路中的MOSFET3 3 2MOS数字集成电路3 3 3CMOS集成电路 62 63 64 65 66 67 68 69 3 4影响集成电路性能的因素和发展趋势 有源器件无源器件隔离区互连线钝化保护层寄生效应 电容 有源器件 电阻 电感 70 3 4影响集成电路性