《工程學(xué)概論》超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)

1、5.1半導(dǎo)體集成電路分類半導(dǎo)體集成電路分類5.2半導(dǎo)體集成電路概述半導(dǎo)體集成電路概述5.3 影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢5.1、集成電路分類1. 按器件結(jié)構(gòu)類型分類2. 按集成電路規(guī)模分類按集成電路規(guī)模分類劃劃分分集集成成電電路路規(guī)規(guī)模模的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)數(shù)字字集集成成電電路路類類 別別MOS IC雙雙極極IC模模擬擬集集成成電電路路SSI10210030MSI102 103100 50030 100LSI103 105500 2000100 300VLSI105 1072000300ULSI107 109GSI109 基于市場競爭，不基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品

2、的性能價格斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術(shù)發(fā)展的比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力。在新技術(shù)的推動動力。在新技術(shù)的推動下，集成電路自發(fā)明以下，集成電路自發(fā)明以來四十年來四十年，集成電路芯集成電路芯片的集成度每三年提高片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸倍，而加工特征尺寸縮小縮小 倍倍。這就是由這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一公司創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore博士博士1965年總結(jié)的規(guī)律，被年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。稱為摩爾定律。22微電子技術(shù)發(fā)展的ROADMAPSSIMSILSIVLSIULSIGSI元元 件件 數(shù)數(shù)109門門 數(shù)數(shù)1083. 按結(jié)構(gòu)形式的分類4. 按電路功能分類按應(yīng)

3、用領(lǐng)域分類數(shù)字模擬混合電路非線性電路線性電路模擬電路時序邏輯電路組合邏輯電路數(shù)字電路按功能分類GSIULSIVLSILSIMSISSI按規(guī)模分類薄膜混合集成電路厚膜混合集成電路混合集成電路BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS雙極型單片集成電路按結(jié)構(gòu)分類集成電路5. 2半導(dǎo)體集成電路概述半導(dǎo)體集成電路概述集成電路（集成電路（Intergrated Circuit，IC）芯片（芯片（Chip, Die）硅片（硅片（Wafer）集成電路的成品率：集成電路的成品率：Y=硅片上好的芯片數(shù)硅片上好的芯片數(shù)硅片上總的芯片數(shù)硅片上總的芯片數(shù)100%成品率的檢測，決定工藝的穩(wěn)定性，

4、成品率的檢測，決定工藝的穩(wěn)定性，成品率對集成電路廠家很重要成品率對集成電路廠家很重要集成電路發(fā)展的原動力：不斷提高的性能集成電路發(fā)展的原動力：不斷提高的性能/價格比價格比集成電路發(fā)展的特點(diǎn)：性能提高、價格降低集成電路發(fā)展的特點(diǎn)：性能提高、價格降低集成電路的性能指標(biāo)：集成電路的性能指標(biāo)： 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徑：縮小器件的特征尺寸主要途徑：縮小器件的特征尺寸 增大硅片面積增大硅片面積集成電路的關(guān)鍵技術(shù)：光刻技術(shù)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)：光刻技術(shù)(DUV)縮小尺寸：縮小尺寸：0.250.18m mm 0.09m mm增大硅片：增大硅片：8英寸英寸12英

5、寸英寸亞亞0.1m mm：一系列的挑戰(zhàn)，：一系列的挑戰(zhàn)，亞亞50nm：關(guān)鍵問題尚未解決：關(guān)鍵問題尚未解決新的光刻技術(shù)：新的光刻技術(shù)： EUV SCAPEL(Bell Lab.的的E-Beam) X-ray集成電路的制造過程：集成電路的制造過程： 設(shè)計設(shè)計 工藝加工工藝加工 測試測試 封裝封裝定義電路的輸入輸出（電路指標(biāo)、性能）定義電路的輸入輸出（電路指標(biāo)、性能）原理電路設(shè)計原理電路設(shè)計電路模擬電路模擬(SPICE)布局布局(Layout)考慮寄生因素后的再模擬考慮寄生因素后的再模擬原型電路制備原型電路制備測試、評測測試、評測產(chǎn)品產(chǎn)品工藝問題工藝問題定義問題定義問題不符合不符合不符合不符合集成電

6、路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢：集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢：獨(dú)立的設(shè)計公司（獨(dú)立的設(shè)計公司（Design House）獨(dú)立的制造廠家（標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立的制造廠家（標(biāo)準(zhǔn)的Foundary）集成電路類型：數(shù)字集成電路、模擬集成電路集成電路類型：數(shù)字集成電路、模擬集成電路數(shù)字集成電路基本單元：開關(guān)管、反相器、組合邏輯門數(shù)字集成電路基本單元：開關(guān)管、反相器、組合邏輯門模擬集成電路基本單元：放大器、電流源、轉(zhuǎn)換器等模擬集成電路基本單元：放大器、電流源、轉(zhuǎn)換器等集成電路發(fā)展的原動力：不斷提高的性能集成電路發(fā)展的原動力：不斷提高的性能/價格比價格比集成電路發(fā)展的特點(diǎn)：性能提高、價格降低集成電路發(fā)展的特點(diǎn)：性能提高、價格降低集成電路

7、的性能指標(biāo)：集成電路的性能指標(biāo)： 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徑：縮小器件的特征尺寸主要途徑：縮小器件的特征尺寸 增大硅片面積增大硅片面積1.雙極集成電路基礎(chǔ)雙極集成電路基礎(chǔ)有源元件：有源元件：雙極晶體管雙極晶體管無源元件：電阻、電容、電感等無源元件：電阻、電容、電感等雙極數(shù)字集成電路雙極數(shù)字集成電路基本單元：邏輯門電路基本單元：邏輯門電路雙極邏輯門電路類型：雙極邏輯門電路類型：4電阻電阻-晶體管邏輯晶體管邏輯 (RTL)4二極管二極管-晶體管邏輯晶體管邏輯 (DTL)4晶體管晶體管-晶體管邏輯晶體管邏輯 (TTL)4集成注入邏輯集成注入邏輯 (I2

8、L)4發(fā)射極耦合邏輯發(fā)射極耦合邏輯 (ECL)雙極模擬集成電路雙極模擬集成電路一般分為：一般分為：線性電路（輸入與輸出呈線性關(guān)系）線性電路（輸入與輸出呈線性關(guān)系）非線性電路非線性電路接口電路：如接口電路：如A/D、D/A、電平位移電路等、電平位移電路等2.MOS集成電路基礎(chǔ)集成電路基礎(chǔ)基本電路結(jié)構(gòu)：基本電路結(jié)構(gòu)：CMOSMOS集成電路集成電路數(shù)字集成電路、模擬集成電路數(shù)字集成電路、模擬集成電路MOS 數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路基本電路單元：基本電路單元： CMOS開關(guān)開關(guān) CMOS反相器反相器INOUTCMOS開關(guān)開關(guān)WWVDDINOUTCMOS反相器反相器VDDYA1A2與非門：與非門：Y=A

9、1A25.3 影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢器件的門延遲：器件的門延遲： 遷移率遷移率 溝道長度溝道長度電路的互連延遲：電路的互連延遲： 線電阻（線尺寸、電阻率）線電阻（線尺寸、電阻率） 線電容（介電常數(shù)、面積）線電容（介電常數(shù)、面積）途徑：途徑：提高遷移率，如提高遷移率，如GeSi材料材料減小溝道長度減小溝道長度互連的類別：互連的類別：芯片內(nèi)互連、芯片間互連芯片內(nèi)互連、芯片間互連 長線互連長線互連(Global) 中等線互連中等線互連 短線互連短線互連(Local)門延遲時間與溝道長度的關(guān)系門延遲時間與溝道長度的關(guān)系減小互連的途徑：減小互連的途徑： 增加互連層數(shù)增加互連層數(shù) 增大互連線截面增大互連線截面 Cu互連、互連、Low K介質(zhì)介質(zhì) 多芯片模塊（多芯片模塊（MCM） 系統(tǒng)芯片（系統(tǒng)芯片（System on a chip）減小特征尺寸、提高集成度、減小特征尺寸、提高集成度、Cu互連、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、互連、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、SOC集成電集成電路芯片路芯片中金屬中金屬互連線互連線所占的所占的面積與面積與電路規(guī)電路規(guī)模的關(guān)模的關(guān)系曲線系曲線 互連線寬與互連線延遲的關(guān)系互連線寬與互連線