Chap微电子概论课件

北京大学北京大学大规模集成电路基础3.1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（Integrated Circuit，IC）芯片（芯片（Chip,Die）硅片（硅片（Wafer）集成电路的成品率：集成电路的成品率：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/价格比价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路发展的特点：性能提高、价格降低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功耗功耗 延迟积延迟积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3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础有源元件：有源元件：双极晶体管双极晶体管无源元件：电阻、电容、电感等无源元件：电阻、电容、电感等双极数字集成电路双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：双极逻辑门电路类型：4电阻电阻-晶体管逻辑晶体管逻辑(RTL)4二极管二极管-晶体管逻辑晶体管逻辑(DTL)4晶体管晶体管-晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL)4集成注入逻辑集成注入逻辑(I2L)4发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑(ECL)双极模拟集成电路双极模拟集成电路一般分为：一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路非线性电路接口电路：如接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等、电平位移电路等3.3 MOS集成电路基础集成电路基础基本电路结构：基本电路结构：MOS器件结构器件结构基本电路结构：基本电路结构：CMOS基本电路结构：基本电路结构：CMOSMOS集成电路集成电路数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路、模拟集成电路MOS 数字集成电路数字集成电路基本电路单元：基本电路单元：CMOS开关开关 CMOS反相器反相器INOUTCMOS开关开关WWVDDINOUTCMOS反相器反相器VDDYA1A2与非门：与非门：Y=A1A23.4 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3.4 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：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)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、SOC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模的关系曲线系曲线 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）M aterials in Silicon-Based M icroelectronics porous silicon BN(Boron N itride)Low D ielectrics Polym er Pt RuO2(ruthenium O xide)IrO2(Iridium O xide)SrRuO3 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 uantum leap in new m aterials集成电路中的材料集成电路中的材料小结：小结：Bipolar：基区基区(Base)，基区宽度，基区宽度Wb 发射区发射区(Emitter)收集区收集区(Collector)NPN，PNP 共发射极特性曲线共发射极特性曲线 放大倍数放大倍数、特征频率特征频率fT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)小结：器件结构小结：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、钝化保护层作作 业业 画出画出CMOS反相器的截面图反相器的截面图和俯视图和俯视图 画出双极晶体管的截面图和画出双极晶体管的截面图和俯视图俯视图