大规模集成电路基础课件

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

23.1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

33.1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，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：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。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

153.2.1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

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5V21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

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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DYL252.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ABY000011101111263.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国外符号：ABYABYAY与门非门ABYABYAY与门非门或门AY011029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333.2.1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353.1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

363.3MOS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

373.3.1集成电路中的MOSFETMOSFET按沟道导电类型：PMOS/NMOS/CMOS

按栅极材料分类：铝栅和硅栅38CMOS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：CMOS403.3.1集成电路中的MOSFET3.3.2MOS数字集成电路3.3.3CMOS集成电路

41MOS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42I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432.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453.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●G247并联开关G=G1+G2484.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1-495.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1-5190nm7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1-54Amplifyswingtorail-to-railamplitudeSelectsappropriateword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1-57WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiodeROMMOSROM1MOSROM2可编程只读存储器PROMP-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1-58FloatinggateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtoxDevicecross-sectionSchematicsymbolGSD同济大学电子科学与技术系1-59Floating-GateTransistorProgramming0V-5V0VDSRemovingprogrammingvoltageleaveschargetrapped5V-2.5V5VDSProgrammingresultsin

higherVT.20V10V5V20VDSAvalancheinjection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1-60613.3.1集成电路中的MOSFET3.3.2MOS数字集成电路3.3.3CMOS集成电路

62636465666768693.4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703.4影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：迁移率沟道长度电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）途径：提高迁移率，如GeSi材料减小沟