微电子学Chap03

1、北京大学北京大学大规模集成电路基础大规模集成电路基础基于研究的集成电路某分类方法 VLSI ASIC SOC FPGA与CPLD3. 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

2、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深紫外波段深紫外波段(DUV)光刻技术光刻技术 )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

3、技术：新的光刻技术： EUV（极紫外光刻（极紫外光刻 ） 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（Desig

4、n 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

5、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双极型集成电路双极型集成电路数字电路指标

6、参数 电压等级 输出摆幅 速度 功耗 噪声容限噪声容限 噪声容限：在前一极输出为最坏的情况下,为保证后一极正常工作.所允许的最大噪声幅度. 噪音容限UNL、UNH 抗饱和TTLECL电路 ECL电路是射极耦合逻辑（Emitter Couple Logic）集成电路的简称 与TTL电路不同，ECL电路的最大特点是其基本门电路工作在非饱和状态 所以，ECL电路的最大优点是具有相当高的速度 这种电路的平均延迟时间可达几个毫微秒甚至亚毫微秒数量级 这使得ECL集成电路在高速和超高速数字系统中充当无以匹敌的角色 ECL 集成电路的基本门为一差分管对，其电路 形式如图所示： 图中 第I部分为基本门电路，完

7、成“或/或非”功能； 第II部分为射级跟随器，完成输出及隔离功能； 第III部分为基准源电路具有温度补偿功能。 在正常工作状态下，ECL电路中的晶体管是工作于线性区或截止区的。因此，ECL集成电路被称为非饱和型。 ECL电路的逻辑摆幅较小（仅约0.8V，而TTL的逻辑摆幅约为2.0V），当电路从一种状态过渡到另一种状态时，对寄生电容的充放电时间将减少，这也是ECL电路具有高开关速度的重要原因。但逻辑摆幅小，对抗干扰能力不利。由于单元门的开关管对是轮流导通的，对整个电路来讲没有“截止”状态，所以单元电路的功耗较大。从电路的逻辑功能来看，ECL集成电路具有互补的输出，这意味着同时可以获得两种逻辑电

8、平输出，这将大大简化逻辑系统的设计。 ECL集成电路的开关管对的发射极具有很大的反馈电阻，又是射极跟随器输出，故这种电路具有很高的输入阻抗和低的输出阻抗。射极跟随器输出同时还具有对逻辑信号的缓冲 I2L电路 I2L电路采用PNP横向晶体管作为恒流源。横向晶体管是指PNP或NPN晶体管的发射区、基区、集电区是沿芯片的平面方向分布，即从发射极到集电极的电流是在芯片内横向流动。硅双极型集成电路主要用 NPN晶体管构成。在以 NPN晶体管为主体的集成电路中，如需要兼用PNP晶体管时，其方法之一是制作横向PNP晶体管。横向PNP晶体管制作简单，能与NPN晶体管工艺兼容，不增加工序。在扩散NPN晶体管基区

9、的同时，即可制作横向PNP晶体管的发射区和集电区（发射区作为注入条也可再扩散，加深掺杂浓度）。横向 PNP晶体管的缺点是截止频率较低，电流放大系数在25之间，少数可达10左右。 I2L电路的倒相管采用公共发射区的纵向NPN晶体管。它与通常的纵向NPN晶体管不同，其集电区在上方,公共发射区在下方。 恒流源晶体管的发射极是一个P型注入条,横向晶体管的基区和集电区，分别是纵向晶体管 NPN的发射区和基区。当P型注入条加上正电压后(I2L电路的电源)，注入条向 N型基区注入空穴，空穴渡越该基区后被集电区收集。被收集在 PNP晶体管集电区的空穴有两个可能的去向：作为NPN晶体管的基极注入电流（如果前级N

10、PN晶体管处于截止状态），导致NPN晶体管的导通;作为前级NPN晶体管的集电极电流，如果前级NPN晶体管处于导通状态，则该空穴电流流向前级 NPN晶体管。因其饱和压降较小，本级NPN晶体管的发射结电压也就很小,即本级NPN晶体管处于截止状态（图2）。因此，I2L电路的工作过程，实质上就是由外部注入条注入的少数载流子在集成器件体内转移，引起基本门导通或截止。 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

11、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

12、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)门延迟时间与沟道长度的关系门延迟时间与沟道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

13、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：SolidstateSolidstate Technology Oct.,1998 Technology Oct.,1998） M aterials in Silicon-B ased M icroelectronics porous silicon BN(Boron N itride) Low D ielectrics Polym er

14、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

15、 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