微電子學(xué)Chap03

1、北京大學(xué)北京大學(xué)大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)基于研究的集成電路某分類(lèi)方法 VLSI ASIC SOC FPGA與CPLD3. 1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（Integrated 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(cè)，決定工藝的穩(wěn)定性，成品率的檢測(cè)，決定工藝的穩(wěn)定性，成品率對(duì)集成電路廠家很重要成品率對(duì)集成電路廠家很重要集成電路發(fā)展的原動(dòng)力：不斷提高的性能集成電路發(fā)展的原動(dòng)力：不斷提高的性能/價(jià)格比價(jià)格比集成電路發(fā)展

2、的特點(diǎn)：性能提高、價(jià)格降低集成電路發(fā)展的特點(diǎn)：性能提高、價(jià)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功耗功耗 延遲積延遲積集成電路的關(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深紫外波段深紫外波段(DUV)光刻技術(shù)光刻技術(shù) )縮小尺寸：縮小尺寸：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(wèn)題尚未解決：關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決新的光刻技術(shù)：新的光刻技術(shù)

3、： EUV（極紫外光刻（極紫外光刻 ） SCAPEL(Bell Lab.的的E-Beam) X-ray集成電路的制造過(guò)程：集成電路的制造過(guò)程： 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 工藝加工工藝加工 測(cè)試測(cè)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(jì)原理電路設(shè)計(jì)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(cè)試、評(píng)測(cè)測(cè)試、評(píng)測(cè)產(chǎn)品產(chǎn)品工藝問(wèn)題工藝問(wèn)題定義問(wèn)題定義問(wèn)題不符合不符合不符合不符合集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)：集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)：獨(dú)立的設(shè)計(jì)公司（獨(dú)立的設(shè)計(jì)公司（Design House）獨(dú)

4、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(lèi)型：數(shù)字集成電路、模擬集成電路集成電路類(lèi)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(kāi)關(guān)管、反相器、組合邏輯門(mén)數(shù)字集成電路基本單元：開(kāi)關(guān)管、反相器、組合邏輯門(mén)模擬集成電路基本單元：放大器、電流源、電流鏡、轉(zhuǎn)換器等模擬集成電路基本單元：放大器、電流源、電流鏡、轉(zhuǎn)換器等3.2 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(wú)源元件：電阻、電容、電感等無(wú)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(mén)電路基本單元：邏輯門(mén)電路雙極邏輯門(mén)電路類(lèi)型：雙極邏輯門(mén)電路類(lèi)型：4電阻電

5、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 (I2L)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3.3 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)：MOS器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)基本電路結(jié)構(gòu)：基本電路結(jié)構(gòu)：CMOS雙極型集成電路雙極型集成電路數(shù)字電路指標(biāo)參數(shù) 電壓等級(jí) 輸

6、出擺幅 速度 功耗 噪聲容限噪聲容限 噪聲容限：在前一極輸出為最壞的情況下,為保證后一極正常工作.所允許的最大噪聲幅度. 噪音容限UNL、UNH 抗飽和TTLECL電路 ECL電路是射極耦合邏輯（Emitter Couple Logic）集成電路的簡(jiǎn)稱 與TTL電路不同，ECL電路的最大特點(diǎn)是其基本門(mén)電路工作在非飽和狀態(tài) 所以，ECL電路的最大優(yōu)點(diǎn)是具有相當(dāng)高的速度 這種電路的平均延遲時(shí)間可達(dá)幾個(gè)毫微秒甚至亞毫微秒數(shù)量級(jí) 這使得ECL集成電路在高速和超高速數(shù)字系統(tǒng)中充當(dāng)無(wú)以匹敵的角色 ECL 集成電路的基本門(mén)為一差分管對(duì)，其電路 形式如圖所示： 圖中 第I部分為基本門(mén)電路，完成“或/或非”功能

7、； 第II部分為射級(jí)跟隨器，完成輸出及隔離功能； 第III部分為基準(zhǔn)源電路具有溫度補(bǔ)償功能。 在正常工作狀態(tài)下，ECL電路中的晶體管是工作于線性區(qū)或截止區(qū)的。因此，ECL集成電路被稱為非飽和型。 ECL電路的邏輯擺幅較小（僅約0.8V，而TTL的邏輯擺幅約為2.0V），當(dāng)電路從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)時(shí)，對(duì)寄生電容的充放電時(shí)間將減少，這也是ECL電路具有高開(kāi)關(guān)速度的重要原因。但邏輯擺幅小，對(duì)抗干擾能力不利。由于單元門(mén)的開(kāi)關(guān)管對(duì)是輪流導(dǎo)通的，對(duì)整個(gè)電路來(lái)講沒(méi)有“截止”狀態(tài)，所以單元電路的功耗較大。從電路的邏輯功能來(lái)看，ECL集成電路具有互補(bǔ)的輸出，這意味著同時(shí)可以獲得兩種邏輯電平輸出，這將大大簡(jiǎn)

8、化邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 ECL集成電路的開(kāi)關(guān)管對(duì)的發(fā)射極具有很大的反饋電阻，又是射極跟隨器輸出，故這種電路具有很高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。射極跟隨器輸出同時(shí)還具有對(duì)邏輯信號(hào)的緩沖 I2L電路 I2L電路采用PNP橫向晶體管作為恒流源。橫向晶體管是指PNP或NPN晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)是沿芯片的平面方向分布，即從發(fā)射極到集電極的電流是在芯片內(nèi)橫向流動(dòng)。硅雙極型集成電路主要用 NPN晶體管構(gòu)成。在以 NPN晶體管為主體的集成電路中，如需要兼用PNP晶體管時(shí)，其方法之一是制作橫向PNP晶體管。橫向PNP晶體管制作簡(jiǎn)單，能與NPN晶體管工藝兼容，不增加工序。在擴(kuò)散NPN晶體管基區(qū)的同時(shí)，即可制作橫

9、向PNP晶體管的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)（發(fā)射區(qū)作為注入條也可再擴(kuò)散，加深摻雜濃度）。橫向 PNP晶體管的缺點(diǎn)是截止頻率較低，電流放大系數(shù)在25之間，少數(shù)可達(dá)10左右。 I2L電路的倒相管采用公共發(fā)射區(qū)的縱向NPN晶體管。它與通常的縱向NPN晶體管不同，其集電區(qū)在上方,公共發(fā)射區(qū)在下方。 恒流源晶體管的發(fā)射極是一個(gè)P型注入條,橫向晶體管的基區(qū)和集電區(qū)，分別是縱向晶體管 NPN的發(fā)射區(qū)和基區(qū)。當(dāng)P型注入條加上正電壓后(I2L電路的電源)，注入條向 N型基區(qū)注入空穴，空穴渡越該基區(qū)后被集電區(qū)收集。被收集在 PNP晶體管集電區(qū)的空穴有兩個(gè)可能的去向：作為NPN晶體管的基極注入電流（如果前級(jí)NPN晶體管處于截止

10、狀態(tài)），導(dǎo)致NPN晶體管的導(dǎo)通;作為前級(jí)NPN晶體管的集電極電流，如果前級(jí)NPN晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則該空穴電流流向前級(jí) NPN晶體管。因其飽和壓降較小，本級(jí)NPN晶體管的發(fā)射結(jié)電壓也就很小,即本級(jí)NPN晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)（圖2）。因此，I2L電路的工作過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是由外部注入條注入的少數(shù)載流子在集成器件體內(nèi)轉(zhuǎn)移，引起基本門(mén)導(dǎo)通或截止。 基本電路結(jié)構(gòu)：基本電路結(jié)構(gòu)：CMOS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(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) CMOS反相器反相器INOUTC

11、MOS開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)WWVDDINOUTCMOS反相器反相器VDDYA1A2與非門(mén)：與非門(mén)：Y=A1A23.4 影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢(shì)影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢(shì) 有源器件有源器件 無(wú)源器件無(wú)源器件 隔離區(qū)隔離區(qū) 互連線互連線 鈍化保護(hù)層鈍化保護(hù)層 寄生效應(yīng)：電容、有源器件、寄生效應(yīng)：電容、有源器件、電阻、電感電阻、電感3.4 影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢(shì)影響集成電路性能的因素和發(fā)展趨勢(shì)器件的門(mén)延遲：器件的門(mén)延遲： 遷移率遷移率 溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)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：

12、途徑：提高遷移率，如提高遷移率，如GeSi材料材料減小溝道長(zhǎng)度減小溝道長(zhǎng)度互連的類(lèi)別：互連的類(lèi)別：芯片內(nèi)互連、芯片間互連芯片內(nèi)互連、芯片間互連 長(zhǎng)線互連長(zhǎng)線互連(Global) 中等線互連中等線互連 短線互連短線互連(Local)門(mén)延遲時(shí)間與溝道長(zhǎng)度的關(guān)系門(mén)延遲時(shí)間與溝道長(zhǎng)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(jì)、互連、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、SOC集

13、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延遲的關(guān)系互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小（資料來(lái)源：（資料來(lái)源：Solidstate Technology Oct.,1998Solidstate Technology Oct.,1998） M aterials in Silicon-Based M icroelectronics porous silicon BN(Boron N itride) Low D ielectrics Polym er Pt RuO2(ru

14、thenium 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 Polysilic

15、on A l SiO2 Si 1970 1980 1990 2000 2010Q uantum leap in new m aterials集成電路中的材料集成電路中的材料小結(jié)：小結(jié)：Bipolar： 基區(qū)基區(qū)(Base)，基區(qū)寬度，基區(qū)寬度Wb 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)(Emitter) 收集區(qū)收集區(qū)(Collector) NPN，PNP 共發(fā)射極特性曲線共發(fā)射極特性曲線 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 、 特征頻率特征頻率fT小結(jié)：小結(jié)：MOS 溝道區(qū)溝道區(qū)(Channel)，溝道長(zhǎng)度，溝道長(zhǎng)度L，溝道寬度，溝道寬度W 柵極柵極(Gate) 源區(qū)源區(qū)/源極源極(Source) 漏區(qū)漏區(qū)/漏極漏極(Drain) NMOS、PMOS、CMOS 閾值電壓閾值電壓Vt，擊穿電壓，擊穿電壓 特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線 泄漏電流泄漏電流(截止電流截止電流