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1集成电路原理电子科技大学微电子与固体电子学院2006年2月任课教师张开华教授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、微电子器件)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,能进行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》朱正涌编著,张开华主审,清华大学出版杜2001年,高等学校工科电子类规划教材2.《半导体集成电路》,张开华编著,东南大学出版社,1995年,高等学校工科电子类规划教材。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7章MOS反相器第8章MOS基本逻辑单元第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17章集成电路设计概述第18章集成电路的正向设计第19章集成电路的芯片解剖5通过本课程的学习,要求学生基本掌握双极IC、数字CMOS集成电路中的倒相器的电路特性和版图,掌握逻辑门、传输门和触发器电路,了解动态电路;掌握模拟电路的基本子电路(如电流源,基准源等)的工作原理和特性,掌握基本运算放大器的性能分析和设计方法,掌握运算放大器的基本设计出发点,基本了解运算放大器的频率补偿和反馈电路的设计,掌握一定的手算分析能力。6绪论§1.集成电路的分类§2.描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标§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.微电子科学技术的战略地位§6.微电子发展的规律§7.半导体IC技术发展趋势§8.集成电路市场和产业结构的发展规律§9.我国微电子发展概况§10.本课程教学方法7前言目前最基本的电子器件主要有三大类: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。图1是各种真空管的照片,真空管是第一代电子器件。图18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ENIAC9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是各种集成电路的照片。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/360SSIMSI13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1971年--现在LSIVLSI14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用数据单元模拟人脑的神经元,并利用神经元结点的分布式存储和相互关联来模拟人脑活动生物计算机使用蛋白分子为主要原料制成的生物芯片构成,存储能力巨大,而且以波的形式来传播信息15什么是集成电路?IntegratedCircuit,缩写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16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17微电子的特点微电子学:电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的,故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m=10-6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科18微电子学是一门综合性很强的边缘学科–涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科,高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强,它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科,例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等19集成电路•集成电路的内部电路VDDABOut二输入CMOS或非门BAOUT20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——集成度高、体积小、生产效率高,适合规模生产。难以制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。•膜IC,又可分为两种厚膜电路——用于制作电阻器、电容器以及相互间的电连接。比单片IC面积大,一般功率较大,频率较高(可达1GHz)。主要工艺为漏印(丝网印刷)。设备费用和材料费用低。膜层典型厚度约为20m,最小导电带宽度250m,最小电阻器宽度约1250m。§1.集成电路的分类21薄膜电路——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整阻值,性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐蚀等。所需设备复杂,费用较高。典型膜厚1000500Å。•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。HIC一般体积较大,但性能得以提高。本课程的研究对象为以硅单晶为衬底的半导体集成电路或微电子集成电路。22按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双极型单片集成电路按结构分类集成电路集成电路的分类23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–NMOS–PMOS–CMOS(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,但制作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,随着特征尺寸的缩小,速度也可以很高24规摸大小通常按集成度或每个芯片的门数来划分,如下表所示(以逻辑IC为例)。集成电路规模的划分IC规模的划分SSIMSILSIVLSIULSIGSI芯片所含元件数102102~103103~105105~107107~109109芯片所含门数1010~102102~104104~106106~108108此外,还有按其他标准的一些IC分类,如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);根据所采用晶体管的不同,又可分为双极型IC和MOS型IC。25按集成电路规模分类集成度:每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(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。26划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI<102<100<30MSI102~103100~50030~100LSI103~105500~2000100~300VLSI105~107>2000>300ULSI107~109GSI>109请注意数字IC和模拟IC规模标准的不同:数字IC中有很多重复单元,特别是存储器电路。而模拟IC中的各个单元都是经过专门设计的。27§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)。随着集成度的提高,使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降,从而提高了性能/价格比,不断扩大其应用领域,因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构,现已达到7层布线。晶片集成(WaferScaleIntegration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。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。282.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。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。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0.18μm、0.15μm、0.13μm工艺,Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09μm。下图自左到方给出的是宽度从4μm~70nm按比例画出的线条。由此,我们对特征尺寸的按比例缩小有一个直观的印象。特征尺寸从4μm~70nm的成比例减少的线条293.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。由此,我们对晶圆尺寸的增加有一个
本文标题:IC原理
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