集成电路ic的结构和组成

1、集成电路ic的结构和组成一般的，我们用由上而下的层级来认识集成电路，这样便于 理解，也更有条理些。（1）系统级以手机为例，整个手机是一个复杂的电路系统，它可以打电 话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哗-。它由多个芯片以及电阻、 电感、电容相互连接而成，称为系统级。（当然，随着技术的发展，将 一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年一一SoC技术）（2）模块级在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源， 有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的 计算，等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领 域，都聚集着无数人类智慧的结晶，也养活了很多公司。（3）寄存

2、器传输级（RTL）那么每个模块都是由什么组成的呢？以占整个系统较大比 例的数字电路模块（它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离 散的0和1）为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。所谓寄存器就是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需 要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。现实中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟 信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动 一下是我们的一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们 世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作， 履行义务。组合逻辑呢，就是由很多“与（AND）、或（OR）、非（NOT）” 逻

3、辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡，各带一个开关，只有两个 开关都打开，灯才会亮，这叫做与逻辑。一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻 辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。图中的三角形加一个圆圈是一个非门，旁边的器件是一个寄 存器，D是输入，Q是输出，clk端输入时钟信号。（4）门级寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把 它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级（它们就像一扇扇门一样， 阻挡/允许电信号的进出，因而得名）。（5）晶体管级 无论是数字电路还是模拟电路，到最底层都是晶体管级了。 所有的逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由 一个个晶体管构成

4、的。因此集成电路从宏观到微观，达到最底层，满 眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。早期的时候双极性晶体管（BJT）用的比较多，俗称三极管。 它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木一 样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上 面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由 BJT 构建的电路我们称为 TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。BJT 的 电路符号长这个样子：后来金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的出现， 以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还 有身影外，基

5、本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的， 由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接 用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：如上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成 千上万个晶体管的制造过程。现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了，从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。基本上，按照“晶体管芯片-电路板”的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件电路板。想直接看芯片制造的可以直接空降至此。下文中的光刻机主要指步进式和扫描式光刻机。首先我们知道，光刻的大致流程是，一个晶圆（wafer）（通常直径为300mm）上涂一层光刻胶，然后光线经过一个

6、已经刻 有电路图案（pattern）的掩膜版（mask or reticle）照射到晶圆上，晶 圆上的光刻胶部分感光（对应有图案的部分），接着做后续的溶解光 刻胶、蚀刻晶圆等处理。然后再涂一层光刻胶，重复上述步骤几十次， 以达到所需要求；简化结构请看下图。掩膜版和晶圆各自安装在一个运动 平台上（reticle stage and wafer stagS。光刻时，两者运动到规定的位 置，光源打开。光线通过掩膜版后，经过透镜，该透镜能够将电路图 案缩小至原来的四分之一，然后投射到晶圆上，使光刻胶部分感光。一块晶圆上有很多die，每一个die上都刻有相同的电路 图案，即一块晶圆可以出产很多芯片。一个

7、die典型的尺寸是26X 32mm。光刻机主要有两种，一种叫做stepper，即掩膜版和晶圆上的 某一个die运动到位后，光源开、闭，完成一次光刻，然后晶圆运动 使得下一个die到位，再进行一次光刻，依此类推。而另一种光刻机 叫做scanner,即光线被限制在一条缝的区域内，光刻时，掩膜版和 晶圆同时运动，使光线以扫描的方式扫过一个die的区域，从而将电 路图案刻在晶圆上（见下图（b）。scanner比stepper的优势在于，可 以提供更大的die的尺寸。其原因在于，对于一个固定尺寸的圆透镜， 比如直径32mm的圆（指投射后的区域大小），其允许透过的光线的 区域尺寸是受限的。若采用stepp

8、er的step-and-expose方式进行光刻， 一个die的区域必须能被包含在直径32mm的圆中，因此能获得的最 大的die的尺寸为22 X 22mm；若采用scanner的step-and-scan方式， 透镜能够提供的矩形区域长度可以到26mm （26X8mm）甚至更长， 将光缝设置为这个尺寸，使用扫描的方式便可以获得26XLmm的区 域（L为扫描长度）。区域示意见下图（a）。同样的透镜在stepper下可 以实现更大区域的意义在于，当你需要生产尺寸较大的芯片的时候， 换一个更大的透镜的费用是昂贵的。Scanner的step-and-scan过程的示意图如下：为了使每层的电路相互之间不发生干涉，需要对上下平 台进行精密运动控制。扫描时上下平台应处于匀速运动阶段。目前最 小的层叠误差小于2nm （单个机器内）或3nm （不同机器间）。光源的波长一般为 365、248、193、157 甚至 13.5 nm（EUV，Extreme Ultraviolet）o因为光刻过程受到衍射限制，光源波长越小，能够做出的芯片尺寸就越小。在透镜和晶圆之间加