半导体集成电路

1、2021/6/161半导体集成电路天津大学ASIC设计中心 高静2021/6/162o我的联系方式：Email: 综合实验楼8082021/6/163集成电路（integrated circuit ,IC）o什么是集成电路？o集成电路是相对于分立器件电路而言的，集成电路采用半导体制作工艺，将某一电路所需的若干元器件（晶体管；二极管；电阻和电容）均制作于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的完整电路。2021/6/164集成电路的特点 vs 分立元件电路1. 单个分立元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而

2、同一类元器件温度特性也基本一致2.就单个元器件而言，性能参数的绝对误差可能比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；3.集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十几十 k范围内，电容一般为几十pF。电感很难集成2021/6/165认识晶圆和集成电路2021/6/166裸片2021/6/167键合（连接到封装的引线）2021/6/168封装，成品2021/6/169应用2021/6/1610摩尔定律(Moores Law)oMoores law : the number of components per IC doubles every 18 mont

3、hs.oMoores law hold to this day.2021/6/1611Intel的CPU验证摩尔定律2021/6/1612The first microprocess (1971 Intel 4004) 2021/6/1613Intel 486处理器芯片内集成了125万个晶体管2021/6/1614Pentium 4 (Intel 2000)集成了4200万个晶体管，主频为1.3GHz2GHz transistors，0.18m工艺2021/6/1615o代号为Dunnington的六核处理器 （2008年）2021/6/1616oIntel官方展示的32nm GPU+CPU

4、Clarkdale （2009年）Intel推出的这款32nm工艺双核心处理器，拥有4M缓存，支持Hyper-Threading，内置有双通道DDR3内存控制器以及集成显示核心。Clarkdale基于的是代号为Westmere的微处理器架构。 2021/6/1617未来：超越还是拯救摩尔定律？oIntel的22nm和意法半导体、台积电的28nm工艺在2011量产，而三星、台联电（UMC）和Global Foundries的28nm在2012年实现量产。o摩尔定律一直是指挥半导体发展，半导体的发展始终徘徊在这条定律左右。不过，摩尔定律始终是个有着物理极限的构想，而随着技术不断前行，这个极限已经在

5、触手可及的不远处。2021/6/1618半导体制造未来的技术发展沿两大主线展开第一条主线是“超越摩尔”（More than Moore），在一个系统封装内整合不同类型的技术，包括3D技术。这条主线还包括克服技术挑战，例如，在系统封装内的裸片之间的连接、测试和热管理。未来的制程研发还包括我们称之为“增值衍生技术”，例如，模拟器件、影像芯片、嵌入式非易失性存储器、智能功率、量子技术以及MEMS技术。第二条主线是“跟随摩尔定律”，我们称之为“更摩尔”（More Moore）。在晶片上集成更小的晶体管，降低临界尺寸。在实现 28nm后，随后就是20 nm和14 nm。2021/6/1619o作为摩尔定

6、律坚定的支持者和半导体制造工艺的领导者，Intel一直在坚持用技术研发为摩尔定律延长寿命。oIntel在2011宣布在22nm工艺中采用全新的FINFET 3D制造工艺，半导体制造要正式迈入3D时代，FINFET比起之前类3D的TSV技术以及现有的平面结构技术，在漏电控制和制程变差方面性能更加优异，而且其晶体管密度也相对更高，能够将摩尔定律的寿命延长至少1-2代制程。2021/6/1620o尽管Intel已经宣称采用FINFET技术制造22nm芯片，但是实际效果如何还是个未知数，而3D工艺能否挽救即将接近物理极限的摩尔定律尤未可知。o3D工艺下的全新半导体制造是否还是属于摩尔定律的范畴已经不再

7、重要，因为无论是22nm还是14nm，都距离理论上的摩尔定律物理极限相去甚远，让摩尔定律失灵的最大可能原因不是技术上的物理极限无法超越，而是经济层面的摩尔定律已经失衡，也就是说，小尺寸的半导体生产工艺实现起来不是太大的问题，而小尺寸芯片的设计加制造的总成本，以现有单个芯片的销售情况而言，很难通过直接的市场销售收回投入。2021/6/1621集成电路的分类o按功能结构分类 ：o集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。 o 模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间连续变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等）；o数字集成电路用来产

8、生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）。2021/6/1622集成电路的分类o按制作工艺分类 ：o 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。 o 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。2021/6/1623集成电路的分类o按集成度高低分类 ：o 集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。2021/6/1624o对模拟集成电路， 100个大规模集成电路；o对数字集成电路 1100小规模集成电路， 1001000中规模集成电路 1000100,000大规模集成电路 10,000以上超大规模集成电路。

9、 2021/6/1625集成电路的分类o按导电类型不同分类 ：o 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、STTL，I2L等类型。 单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。 2021/6/1626集成电路的分类o按用途分类 集成电路按用途可分为 电视机用集成电路 电脑（微机）用集成电路 通信用集成电路 手机用集成电路 多媒体用集成电路 汽车用 医疗用.2021/6/1627集成电路技术发展趋势1) 特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前

10、的主流工艺是0.13m， 0.11m，90nm，45nm；2) 电路规模：LSISOC；3）晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英寸, 和12英寸；4）集成电路的规模不断提高, intel 09年推出的处理器已超过20亿晶体管, DRAM已达Gb规模；2021/6/16285）集成电路的速度不断提高, CMOS工艺做出了主时钟2GHz的CPU ； 10Gbit/s的高速电路和6GHz的射频电路；6）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)成为开发主流；7）设计能力落后于工艺制造能力；8）电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线（Fable

11、ss）和无芯片（Chipless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。2021/6/1629集成电路设计需要的知识范围1) 系统知识：计算机/ 通信/ 信息/ 控制等学科2) 电路知识：模拟/ 数字/ 模数混合/ RFIC / MMIC3) 工具知识：相应的软件工具4) 工艺知识：元器件特性和模型/ 工艺原理和过程2021/6/1630课程内容介绍本课程主要介绍三部分内容：o集成电路基本知识：双极、MOS、BiCOMS集成电路工艺、集成电路中元器件的形成、特性及寄生效应。o双极集成电路单元oMOS（CMOS）集成电路单元和模块、组合和时序电路2021/6/1631参考教

12、材o半导体集成电路，朱正涌编著，清华大学出版社 o集成电路原理与设计，甘学温等编著，北京大学出版社o数字集成电路设计透视， Jan M. Rabaey著，英文影印，清华大学出版社， o数字集成电路-电路、系统与设计周润德译，电子工业出版社出版2021/6/1632课程参考书目及要求a)器件原理部分： 书目：半导体物理 晶体管原理 要求：熟悉晶体管单结特性及相关公式；熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟悉晶体管瞬态（频率）特性。2021/6/1633ob)工艺原理部分：书目： 半导体器件工艺原理； 超大规模集成电路技术基础 集成电路制造技术 要求：熟悉pn结形成的工艺原理及平面结工艺结构；熟悉pn结形成时的工艺影响因素；熟悉常规