《微电子学概述》大规模集成电路基础

1、微电子学概述微电子学概述大规模集大规模集成电路基础成电路基础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（Intergrated Circuit，IC）将电路中的有源元件、无源元件以及它们之间的互联引线等一将电路中的有源元件、无源元件以及它们之间的互联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芯片（芯片（Chip, Die）没有封装的单个集成电路没有封装的单个集成电路硅片（硅片（Wafer）包含成千上百个芯片的大圆硅片包含成千上百个芯片的大圆硅片集成电路的成品率：集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上

2、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 集成度集成度 功耗延迟积：延迟时间与功耗相乘功耗延迟积：延迟时间与功耗相乘 特征尺寸：集成电路中半导体器件的最小尺度特征尺寸：集成电路中半导体器件的最小尺度 成品率：受制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料、成品率：受制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料、 指标等要求

3、影响。指标等要求影响。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集成电路的性能指标：集成电路的性能指标：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

4、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 以场效应管为主要元件构成的集成电路称为以场效应管为主要元件构成的集成电路称为MOS集成集成电路。电路。MOS集成电路又分为数字电路和模拟电路。由于集成电路又分为数字电路和模拟电路。由于MOS集成电路尤其是集成电路

5、尤其是CMOS集成电路具有功耗低、速度快、集成电路具有功耗低、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、噪声容限大、可适应较宽的环境温度和电源电压、易集成、可按比例缩小等一系列优点，可按比例缩小等一系列优点，MOS集成电路发展极为迅速，集成电路发展极为迅速，CMOS集成电路更成为整个半导体集成电路的主流技术。集成电路更成为整个半导体集成电路的主流技术。 目前目前CMOS技术的市场占有率超过技术的市场占有率超过95%，而且据预测微，而且据预测微电子技术发展到电子技术发展到21世纪前半叶，主流技术仍将为世纪前半叶，主流技术仍将为CMOS技术。技术。3. 2 MOS集成电路基础集成

6、电路基础双极型双极型 晶体管晶体管pnpB端端E端端C端端ECBnpnB端端E端端C端端ECBBCEpnpBCEnpn单极型单极型 晶体管（晶体管（MOSFET)源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VGn+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极源极源

7、极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)漏极栅极源极漏极源极源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=0VS=0VD=0栅极电压为零时，存储在栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离源漏极中的电子互相隔离1 1+ + + + + + + +源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=0栅极电压为栅极电压为3.3V时，表面的时，表面的电位下降，形成了连接源漏电位下降，形成了连接源漏的通路。的通路。3.3V2 2+ + + + + + + +3.3V3.3V电流电流源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=3.3V更进一步，在漏极加上更进

8、一步，在漏极加上3.3V的的电压，漏极的电位下降，从源电压，漏极的电位下降，从源极有电子流向漏极，形成电流极有电子流向漏极，形成电流。（电流是由漏极流向源极）（电流是由漏极流向源极）3 35V源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=0VVS=0VVD=3.3V漏极保持漏极保持3.3V的电压，而将栅的电压，而将栅极电压恢复到极电压恢复到0V，这时表面的，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切电位提高，源漏间的通路被切断。断。4 4CMOS开关开关WINOUTW3.2.1 MOS数字集成电路数字集成电路VDDINOUTCMOS反相器反相器VDDYA1A2与非门：与非门：Y=A1A23.3 影

9、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)减小互连的途径：减小互连的