大规模集成电路基础

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-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.Kilby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，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.短2.虏1集成锹电路匆中的桐双极解晶体鸟管制备音要求:器件貌制作崇在同神一硅卧片上矛，要做求器吹件相居互间合电绝严缘而弯成为身各自趟相互石独立勉的器洞件，捏再用客金属结导电岭薄膜垮将他蛛们按赛电路旺要求到相互再链接嫩起来月。隔离羽区隔离慨方法咸：反向PN结隔恼离全介逢质沟提槽隔捡离等平衫面PN结-介质男混合去隔离场氧荷隔离17PN结隔展离的刻平面NP工N双极锻晶体恐管的额剖面隶图P衬底N+隐埋闯层N-外延理层P型层N+层1819使用司目的败：放姓大晶宽体管/开关萄晶体剪管放大炮管工葡作电替压20劲V，BV程ce巨o=宪25肤V，BV轻cb工o=兔50姨V开关谣管工贯作电牌压5V20两种迎晶体晶管均扔制作虾在高掉电阻炮率的高硅外佛延层抵上。轻掺炭杂外渐延层满目的:提高郊收集厦结的显反向怀击穿吸电压哨；获艘得易恩于控清制的应高性兔能收挽集区施；高掺晃杂埋爱层：提润高收您集极碰的导师电性要能，巨降低掌收集河极串狐联电刘阻；21放大狭管击完穿电碎压较浮高：外椅延层广厚度丢和电浓阻率食较大伤，其帽芯片膜面积爸较大序。223.僻2.雄1集成育电路窜中的升双极巾晶体沫管3.话2.牙2双极出数字忠集成缴电路3.乐3.躁3双极芳模拟英集成爽电路23在数零字集沿成电孟路中件，完穴成各捉种逻衫辑运尖算和售变换悠的电允路称倒为逻艇辑电扛路，连组成比逻辑信电路衬的基茧本单战元是僵门电疯路和仗触发预器电赛路。根据武基本两单元萝电路仆工作秩特点侦的不鹅同，损大致因可分些为：（1）饱痕和型请逻辑摊集成吗电路电阻腐耦合员型—电阻-晶体列管逻全辑（RT加L)二极彻管耦杆合—二极俯管-晶体字管逻设辑（DT劣L)高阈屡值逻本辑（HT牲L)晶体脑管耦叠合—晶体从管-晶体荷管逻减辑（TT傅L)合并倡晶体济管—集成怪注入絮逻辑辈（I2L)（2）抗丽饱和习型逻赌辑集掩成电摘路肖特肾基二挨极管义钳位尤（TT般L)发射幼极功粉能逻秧辑（EF忘L)（3）非彩饱和能型逻焦辑集黎成电文路电流裕型逻庄辑（CM古L）即衡发射幸极耦悔合逻胡辑EC赞L互补努晶体静管逻真辑CT犹L非阈蹦值逻挂辑NT厕L多元跟逻辑DY链L24补充怒：逻做辑代唯数的喂三种伴基本敬运算三种饭基本势运算鉴是：射与、弊或、动非（叙反）路。1.与运蹦算可用漫开关沙图来玩说明蜓：ABY该图稍代表甩的逻睁辑关移系是叹：决碰定事誓件的萍全部晕条件充都满佳足时亿，事耽件才氏发生——这就置是与逻辑京关系柴。用1表示压开关烈接通很，1表示率灯亮荡，可千得如猪下真值趣表：在函定数式静中，识用.表示怀与运扣算，若记做Y=老A.B或Y=怨AB逻辑兵符号艘：&ABYABY只有搏输入啊全为1时，蜂输出斥才为1它们从都有踩集成熊门电喂路与刘之对提应。ABY000010100111252.或运吴算ABY该图俩代表碗的逻锻辑关雾系是窗：决权定事摧件的瞧全部否条件禁至少骄有一厚个满碍足时档，事妇件就胃发生——这就愉是或逻辑易关系认。输入每有一庆个为1时，耽输出抱就为1在函冲数式穿中，莲用＋表示断或运缘瑞算，私记做Y=凳A＋B逻辑差符号遭：ABY1ABY+真值奴表ABY000011101111263.非门ARY该图棋代表荣的逻剑辑关觉系是夜：决帅定事脖件的筋条件顶满足寻时，倡事件搬不发顷生——这就康是非逻辑阅关系盯。真值温表在函依数式妙中，笨用_表示膜非运渣算，贱记做Y=A逻辑毙符号伶：A1YAY国外教符号凉：ABYABYAY与门非门ABYABYAY与门非门或门AY0110274.一些子常用圈的复蓝合逻灿辑运抛算用两宪个以情上基衰本运嗽算构概成的湖逻辑命运算肠。包絮括与非虫、或态非、与或枝非、举异或司和同魂或运算旷。和车三个士基本袄运算评一样轻，它惭们都牲有集耽成门拐电路沸与之亦对应归。100011010110010101101100ABABA+BABAB真值铲表：(除与负或非渠运算件外）逻辑辣符号彼：&=1=ABYABYABYABYYBAYBAYBAYBA国外京符号誓：互为非逻辑慢关系28与或占非逻渠辑ABCDY

00001000110010100110010010101101101011101000110011101011011011000110101110011110函数浑式形烛如：

Y=AB+CD&ABCDY逻辑咐符号感：A与B等于1，或胳者C与D等于1，Y等于0。真值燃表：异或奔的逻帖辑式拘：同或怨的逻扯辑式涝：Y=AB+ABY=AB+AB29电阻-晶体势管逻雄辑(R按TL树)或非鸣门只要族有一顺个输题入信漆号为接高电诸平，垫输出跪为低奸电平浓。其输谷出低办电平裕约为Vo练l=壳0.坦2V级联毙使用秧时输美出高饥电平Vo载h=缎1V特点忍：电路盟的速范度较须慢，营负载殿能力朋和抗孤干扰狗能力坊较差治。30二极相管-晶体忠管逻觉辑(D库TL图)与非糕门只要格有一春个输太入信字号为抢高电步平，碰输出蚕为高膊电平孔。当所来有输碑入都膊是高旧电平系是，更输出覆为低堡电平坛。特点钢：提高芹了负少载能元力和微抗干阻扰能获力，的但电墓路的驴速度恩慢。31晶体咐管-晶体炸管逻矛辑(T稍TL释)-涝--速度俊和延汇迟功扮耗提博高发射鸟极耦磁合逻葵辑(E兄CL查)-勉--耕-器件脚只工慎作在漠截止蛮区和才线性紧区，屑不进掘入饱烧和区型，是头非饱艺和型花逻辑爷电路幻玉。速爆度快谅、逻柜辑功酷能强喂、抗喷辐射县性能乓好，西但功肃耗大腥。集成姜注入功逻辑(I2L)宅--驼--集成庙密度硬高、垮功耗纺低、顶功耗龙延迟叹积小短、成赔本低兴，可嘴制作壮高性认能、毒低成歇本的剖数字/模拟寸兼容增集成惕电路野。32高速穿、低划功耗启和高疲集成哲密度（门/m厨m2)是数督字集答成电即路所葛追求纸的三凶个主哀要目半标333.柳2.叮1集成哲电路坛中的剂双极素晶体炕管3.肆2.滋2双极些数字抹集成连电路3.尝3.马3双极尘模拟蠢集成匀电路34双极聪模拟施集成夜电路一般单分为领：线性蝴电路疾（输详入与缎输出奏呈线护性关秒系）拦：运志算放歉大器事、直瓣流放膊大器润、音碌频放名大器路、中岭频放愿大器缓、宽浅带放锁大器宽、功俯率放坑大器福、稳惯压器予等。非线歉性电副路：互对数傅放大煌器、索电压饮比较王器、柏调制阻或解穴调器爱、各输类信斯号发会生器县。接口昨电路功：如A/饿D转换泡器、D/宅A转换廊器、遭电平遍位移翻电路宾等353.支1半导哄体集路成电警路概胆述3.马2双极饱集成戒电路聋基础3.社3谷M寸OS集成烘电路灰基础363.眯3MO蚕S集成蛛电路族基础以MO判S场效瞒应晶炎体管估为主纹要元猎件构阵成的搭集成盐电路搏。CM磁OS具有勇功耗芹低、独速度除快、骆噪声的容限兆大、筐可适槐应较轧宽的棵环境版温度节和电谅源电慨压、序易集秒成、闹可等罚比例活缩小拒等一好系列争优点摊，CM锐OS技术挤的市拥场占射有率连超过95扬%。3.皇3.后1集成链电路梢中的MO嫁SF警ET3.丘3.零2柏MO纹S数字诵集成滨电路3.研3.袜3垦CM帽OS集成栋电路373.机3.漏1集成却电路应中的MO原SF爸ETMO爆SF消ET按沟矩道导灭电遇类型漫：PM浙OS尺/N名MO保S/颗CM纷OS按栅围极材曾料分傅类：谁铝栅形和硅描栅38CM隆OS由PM岛OS那FE匀T和NM沈OS书FE溜T串联陶起来的一充种电掠路形悠式。为了邀在同术一硅党衬底蔬上同慎时制租作出P沟和N沟MO康SF筛ET，必狡须在品同一坛硅衬床底上估分别肝形成N型和P型区票域，觉并在N型区鲜域上者制作PM赏OS药FE巴T，在P型区倾域上决制作NM名OS饥FE凶T。39基本耳电路骆结构邪：CM将OS403.播3.透1集成腔电路沉中的MO梨SF允ET3.巷3.匠2给MO钻S数字秧集成沈电路3.悠3.登3用CM朵OS集成聚电路41MO比S开关智与反乔相器其是MO赏S数字殖集成抹电路扫的基踏本单贝元，锁数字败电路鄙中的医任何教复杂恩逻辑朽功能局均可僚分解贪为“颜与”碌“或阶”“丝式非”此操作蜜。1.展MO饮S开关MO葬SF粘ET处于圈大信偶号工痰作时类，有令导通逐和截春止两牲种状必态，食因此哀可作鸦为电称子开娃关。上拉氏开关下拉桂开关传输歪门42I为输车入端范，接羡驱动杯信号O为输孝出端津，接冰容性谊负载G为控呜制端库，接姥控制袋信号当控籍制端誉加上邪一个纹足够跑高的经固定调电压汽，在番稳定墨情况胡下，劲直流超输出昂电压Vo与直带流输谢入电稠压VI的关源系为MO甘S直流槐传输待特性Vo会=V拢I非饱壶和区宜工作VI≥VG币-V怜T沟道箱夹断432.反相迅器输出塌信号占与输挠入信眯号反技相，幼能执稠行逻僻辑“妇非”古功能陕。可塑分为本静态赤反相洋器和软动态遣反相委器。驱动刊元件知：增缎强型MO涛SF失ET观,以便扑极间染直接硬耦合扰。负载寇元件移：电龄阻负视载增强迟负载耗尽盾负载互补摔负载有比谱反相酱器/无比钩反相艇器反相床器44评价MO仿S反相咐器性筐能的招主要爹指标晋：●输嫌出高涉电平●输妨出低那电平●反止相器祸阈值该电压●直秘流噪顶声容吐限●直汽流功捕耗●瞬芹态特漆性●芯票片面示积●工桃艺难第度和批兼容坝性●稳罩定性但和瞬跨态功颗耗等453.开关稀串/并联践的逻肠辑特辰性单个MO穷S开关恼及其肝串、岁并联彩电路符的逻伪辑状寨态由烈施加摔在开刮关管框栅上淘的控太制信界号决碗定，刺对于NM士OS开关是，其拴逻辑和状态吊可表弦示为滔：VG具=V夺H时，划开关吼逻辑据状态北为“ON袜”；VG秩=V郑L时，杜开关服逻辑接状态吴为“OF腥F”；46串联佛开关G=奏G安1●G247并联谜开关G=够G饰1+G2484.传输创门逻辞辑当MO军S开关吃导通顺时，败信号寒可直浑接从尾一端矮传送做到另卷一端贱，MO乐S开关咏称为洗传输碑门。主要钢内容存储亭器的赴种类存储反器的然基本匆结构随机更存取每存储莲器掩模胃只读紧存储康器可编甜程只乔读存王储器同济蚁大学狗电子胡科学横与技令术系1-495.存储散器存储忆器：保存认信息读出集信息最小谅记忆吸单元疾通常黄为二危进制休“位勒”0或1半导卧体存膨储器债已经姿成为谊计算剧机的严主要铃存储摘器件（之婆一）非半挤导体租存储攀器：可磁盘前（硬牙盘）萌、光充盘、策磁带你等半导亮体：巩内存馆、U盘、CP蚀U中的芒缓存抢等同济篮大学搏电子绝科学艰与技农术系1-50同济民大学善电子悦科学叮与技假术系1-5190认nm代7层铜动工艺候，0.叔8V电压寺下达甚到2.低0G祝Hz17塞.2亿只欲晶体员管，6平方朽厘米两个葡双线炊程安窃腾处或理器蚕核每个窑核具循有1兆字存节二娃级缓滚存和12兆字庸节三赢级缓辣存In煤te水l谢M济on牌te本ci纪to处理钩器半导呀体存疫储器肠的种值类（机按功泥能）随机洽存取概存储屋器Ran症do婚mAcc患es涂sMem瞎or仆y,RA纠M只读块存储怎器Rea偶dOnl缸yMem辫or山y,RO否M特点御：高璃密度何、大就容量计、高该速度住、低愧功耗同济切大学绒电子翠科学盟与技刑术系1-52注：舅教材专中按幕功能担分类僻为RA奥M、RO敲M是不脏合理微的。亭例如捧有些加可读暗可写笼的存倍储器皆不是蛙可随你机存是取的存储券单元司阵列地址射译码斗器读写拌电路时序猾控制半电路同济雪大学吓电子言科学算与技悔术系1-53半导身体存谢储器杀的基鲜本结损构半导梢体存床储器步的基年本结豆构同济跃大学享电子膜科学在与技埋术系1-54Am摄pl仍if告y替sw吊in被g猾tora处il渠-t信o-升ra升il哈a涂mp锹li量tu义deSe距le私ct冈s迷ap屿pr乒op开ri拳at脆ewo诊rd时序欲控制拨电路随机扬存取爆存储事器(R滔AM采)DR旨AM器-单Dy叮na志mi蛋c同济牢大学妻电子书科学程与技锻术系1-55掩模喊只读罩存储脂器(R漫OM企)非易黄失性制造法阶段券就将中待存熔储的庸信息甩作为老掩模卧图形私固化可任莫意读气出、算不可刺改写同济何大学贤电子笨科学春与技振术系1-56常见敏的RO袋M基本宅存储像单元溪电路同济薯大学徒电子食科学佣与技田术系1-57WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiodeROMMOSROM1MOSROM2可编倡程只伍读存锐储器PR剃OMP-P粉ro借gr妨am绞ma燃bl史e电可居编程争：基鹿于浮腔栅场亦效应旗晶体书管控制孩栅和庄浮置要栅两绍层栅绞结构同济雁大学涉电子潮科学颈与技柏术系1-58FloatinggateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtoxDevicecross-sectionSchematicsymbolGSD同济最大学锅电子说科学桂与技定术系1-59Fl谅oa则ti卫ng姑-G蚊at李e犁Tr奥an惹si店st视or恶P捕ro江gr罩am雀mi被ng0璃V-5帆V0乐VDSRe骨mo妇vi气ng庭p由ro券gr尝am枯mi洗ngvo益lt舒ag愁e特le丑av腰es默c徐ha周rg遇e战tr顺ap躁pe喝d5V-2.5V5VDSProgrammingresultsin

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