大规模集成电路基础

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1、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

2、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，45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

3、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

4、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定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合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

5、-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.Kil

6、by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。122010年0.09-0.07μm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

7、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，0.25μmCMOS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。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

8、，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163.2.1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