集成电路原理第一章.ppt

集成电路原理,Principles of Integrated Circuits,微电子与固体电子学院,任课教师 于奇,联系方式Email:电 话：83205248（O）；办公室:（211大楼）1018,考核方式成绩组成：平时+期中+实验+期末 10%10%10%70%,集成电路原理课程教学大纲 课程编号：63030445 学时：72（含实验16）学分：4.5 先修课程：电路分析基础 模拟电路基础 数字逻辑设计及应用 信号与系统 微电子器件 微电子工艺,电工基础,微电子基础,一、课程性质和任务 本课程属专业方向限选课，是电子科学与技术专业（微电子技术方向）的主干课之一。其任务是：在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型 和MOS逻辑/模拟集成电路的基本单元结构、工作原理及其电学特性；能进行双极/MOS集成电路拓扑及版图的分析与设计，掌握微电子IC设计方法与理念；了解VLSI测试、封装和VLSI系统设计的基本概念及思想；对现代集成电路中出现的新机制、新效应有较充分的认识。,二、教学内容和要求 第一部分：MOS逻辑/模拟集成电路第二部分：双极逻辑/模拟集成电路 三、教材和参考资料 高等学校工科电子类规划教材：半导体集成电路，朱正涌，清华大学出版社，2009年。,1.数字集成电路设计透视（英文），J.M.Rabaey，清华大学出 版社（影印），1999年2月第一版。2.CMOS数字集成电路分析与设计，S-M.Kang，清华大学 出版社（影印），2004年8月第一版。3.CMOS模拟电路设计（英文），P.E.Allen，D.R.Holberg，电子 工业出版社，2002年6月第二版。4.模拟CMOS集成电路设计，毕查德.拉扎维著，陈贵灿等译，西 安交通大学出版社，2003年3月第一版。5.模拟集成电路的分析与设计，P.R.Gray等著，高等教育出版 社，2003年10月第一版。,参考资料：,第一章 绪 论,1.1 集成电路的分类,1.2 半导体集成电路发展概况与国内外现状,1.3 半导体IC技术发展趋势,1.4 集成电路技术的特点,1.5 本课程教学方法,1、集成电路 Integrated Circuits/IC是指用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺（或这些工艺的组合），把电路的有源、无源器件及互连布线以相互不可分离的状态制作在半导体或绝缘材料基片上，最后封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有特定功能的电路、组件、子系统或系统。,1.1 集成电路的分类,根据工艺和结构的不同，可将IC分为三类：膜IC，又可分为两种 厚膜电路用于制作电阻器、电容器以及相互间的电连接。比单片IC面积大，一般功率较大，频率较高（可达1GHz）。主要工艺为漏印（丝网印刷）。设备费用和材料费用低。膜层典型厚度约为20m，最小导电带宽度250m，最小电阻器宽度约1250m。薄膜电路主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500。,半导体IC或称单片（Monolithic）IC 集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。混合IC（Hybrid IC）指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所谓HIC。HIC一般体积较大，但性能得以提高。本课程的研究对象为半导体或微电子集成电路,2、集成电路制造工艺,单晶硅棒,硅片,前工序完成后的大圆片（Wafer）,封装后的集成电路,由集成电路和分立元件构成的电子模块,如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：表1-1 IC按集成度的分类,集成度是指在单块晶片上或单个封装中构成的IC所包含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。而SSI，MSI GSI等分别为各分类的英文缩写，即Small Scale Integration，Medium Scale Integration Giant Scale Integration。,按集成工艺分类,双极型集成电路 Bipolar IC,MOS型集成电路MOS IC,双极+CMOS型集成电路BiCMOS IC,1.2 半导体集成电路发展概况与国内外现状 1.2.1 IC历史回顾与展望1947年 发明第一只点接触式晶体管（1947年12月23日）,世界上第一个晶体管-PNP点接触式 Ge晶体管,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,晶体管诞生25周年时发行的首日封,1948年 发明结型晶体管（Junction Transistor）美 BELL 实验室W.Shockley 肖克莱，于1948年1月 提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只 结型晶体管，因此与J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布 拉顿、一起荣获1956年诺贝尔物理学奖,50年代 晶体管得到大发展（材料由GeSi）,1958年 发明第一块简单IC 美国TI公司 Jack S.Kilby 基尔比,2000年度诺贝尔物理学奖得主,1952年 英国科学家杜默(J.W.Dummer)首次提出了集成电路(Integrated CircuitIC)思想。,“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件”,青年基尔比,第一块集成电路,集成电路草图,1958年9月12日，TI公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。,1959年 美国仙童公司Fairchilds的R.Noicy诺依斯开发出用 于IC 的平面工艺技术，从而推动了IC制造业大发展。,1959年仙童制造的IC,1961年仙童制造的IC,年轻时代的诺伊斯,60年代 TTL、ECL出现并得到广泛应用1966年 MOS LSI发明（集成度高，功耗低）70年代 MOS LSI得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）80年代 VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段。（其标志为CD2m，集成度105个元件/片）90年代 ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术 水平的IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品。21世纪 SOC、纳米器件与电路等领域的研究已展开展 望 可望突破一些先前认为的IC发展极限，对集成电路 IC 的涵义也将有新的诠释。,黄里斯理论黄昆方程黄漫散射黄朱模型,“真人”黄昆（1919-2005）,“中国的黄昆是最聪明的。”量子力学创始人之一的玻恩在自传中这样评价自己的弟子。黄昆与他合著的晶格动力学被誉为这一领域的圣经。在给爱因斯坦的信中，玻恩写道：“书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄昆以我们两人名义所写的东西，就很高兴了。”,中国的半导体传奇,林兰英院士（中科院半导体所）,谢希德院士（复旦大学）,李志坚院士（清华大学）,王阳元院士（北京大学）,陈星弼院士（电子科技大学）,1.2.2 世界半导体行业概况 1、世界主要半导体公司 INTEL 美 TI（德州仪器）美 NEC 日 STM 意法 TOSHIBA 日 SAMSUNG 韩 MOTOROLA 美 PHILIPS 荷 HITACHI 日 Infineon 德 AMD 美 IBM 美 NS 美 OnSemi 美 ADI 美 MAXIM 美 FreeScale 美 Ericsson Components 瑞典,数据来源：iSuppli公司,2009年世界半导体公司排名,2010年世界半导体公司排名（前十名）,1.2.3 中国半导体工业发展与现状1、主要的工厂：北京：774厂（东方）、878厂锦州：777江苏：742厂华晶（无锡）中电集团58所 华润上华江西：南昌746厂湖南：长沙4435厂贵州：873、4433厂四川：970（亚光）甘肃：749厂 871厂天光（天水）华越（绍兴）西安：877（卫光）,2、主要研究所：中电13所（石家庄）：微波、GaAs FET 中电24所（重庆）：模拟IC，SiGe 中电55所（南京）：微波、GaAs FET 中电47所（沈阳）：数字IC 中电集团58所（无锡）：数字IC为主 兵器部214所（蚌埠）：军品 航天部771所（西安）、772所（北京）：军品 中科院上海冶金所,3、“8.5”期间的发展：华晶“908”工程（无锡）华越（绍兴）上无14厂+外资PHILIPS贝岭（中资85%）上无26厂+外资PHILIPS菲利浦（外资51%）首钢+NEC首钢NEC（日方控股）（北京）4、“9.5”期间新建项目：“909”工程上海华虹NEC（其中中方投资100亿）1条8英寸、CD=0.350.5m IC生产线 1条8英寸硅单晶生产线,7家设计公司,深圳国微电子有限公司,熊猫电子集团电子设计公司,北京华大集成电路设计公司,深圳华为技术有限公司,航天科技集成电路设计（深圳）公司,成都华微电子有限公司,上海冶金所微电子设计公司,5、“10.5”期间：虽然一条8英寸生产线投资十多亿美元，但这种高投入仍然挡不住北京、上海进军芯片制造业的步伐，两地都宣布要成为中国的半导体产业中心。上海宏力半导体制造有限公司投资最大，计划总投资60亿美元，仅首期投入就达16.3亿美元。（8/12英寸、0.25m）,中芯国际集成电路制造（上海）有限公司SMIC投资15亿美元，制造水平为8英寸、0.25 m。该公司于2000年12月开工建设，2001年9月试投产，并先后从新加坡特许半导体、德国英飞凌Infineon公司获得0.18m、0.14 m和0.11 m技术授权，推动了中国半导体制造技术的跳跃式发展。目前，SMIC已有9座代工厂投入量产运行。最高工艺水平为晶圆直径12英寸、最小线宽45nm。其中三厂为全球仅有的四家铜制程芯片代工厂之一，其余三家控制在台积电、联电和IBM手上。,6、国内IC制造与设计现状分析 中国IC制造业现状 中国现有半导体制造业的技术水平，目前具有代表性的是八大企业：中芯国际、宏力、华虹NEC、华晶、华越、南科贝岭、先进和首钢NEC。最高水平的是中芯国际12英寸45nm，达到当代国际水平。,截至2008年，中国大陆8英寸以上的半导体生产线共22条，其中8英寸16条(已实现量产的有13条，产能为3135万片/月)，12英寸8条(已实现量产的有2条，产能为4.56.5万片/月)。,中国IC设计业现状 国内设计公司大约分为五个类型：专业设计公司，如中国华大、天潼、长江等；企业、研究所的设计部门，如华晶、首钢NEC、13所等 都有专门的设计所；整机公司的设计部门，如华为、海信、熊猫等都有自己 的设计所；高等院校的设计部门，如清华、北大、复旦；外资在大陆建立的设计公司，如INTEL、EPSON、ADI MOTOROLA 和Infineon等在苏州、上海、北京、西安 都开设了设计分部或公司。,1.3 半导体IC技术发展趋势 1.3.1 提高集成度的途径1、微细加工技术的提高 微细加工技术水平通常用特征尺寸表征。,特征尺寸：即 CD（Critical Dimension），表征微细加工技术水平的主要技术指标之一，是指工艺所能加工出的最小线条宽度。MOS工艺特征尺寸指工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽双极Bipolar工艺的特征尺寸则是发射极（区）条的最小宽度,影响微细加工技术极限的因素，主要是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝光技术的发展。总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的：10m 亚微米0.90.5m 深亚微米（0.5m）0.180.12m 纳米（90nm，60nm，45nm，32nm）,目前国际最高生产水平,INTEL展示32nm 16英寸晶圆,2、芯片面积扩大 随着IC芯片功能的日益强大，电路系统也更加复杂，单芯片面积也不断增大，以容纳更多的元器件和子单元。单片面积已由10mm2 扩大到100mm2甚至几百mm2。,3、大圆片Wafer，大直径化 圆片大直径化的发展：4，5，6，8 10 12，16（1=1英寸=2.54cm=25.4mm）4、简化电路结构 半导体IC的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步，还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少的元件，实现预期的设计指标和性能。,1.3.2 VLSI发展的技术基础 1、先进的生产线一条先进的IC生产线或标准生产线Foundry包括七大要素：H2O表1-2 IC工业用超纯水技术标准,Gas 半导体工业所需气体约为三十几种，纯度要求99.999%，主要杂质氮化物、水汽。Acid 纯度99.999%99.9999%Material 高纯度的单晶材料、封装材料 Clean Room 超净间、真空传送和光刻等洁净度要求最高，对于CD=0.35m工艺净化级别要求达到1级，当特征尺寸 CD小于0.1m后甚至要求0级。以5m工艺为例，列出净化级别和要求，见表1-3。Man 高素质、高层次的科技管理人才 Equipment 包括各种工艺设备、监控和分析仪器,表1-3 净化度标准主要内容（美联邦标准209a）,表1-4 集成电路工艺对环境的要求（微米级工艺）,（单位：个/立方英尺）,超深亚微米工艺的净化度划分,1.3.3 21世纪微电子芯片技术展望 21世纪硅微电子芯片将沿着以下三个方向发展：1、继续沿着Moore定律前进；2、片上系统（SOC）；3、灵巧芯片，或赋予芯片更多的灵气。1、沿着Moore定律继续高速发展,Moore定律1965年，INTEL公司的Gordon.Moore戈登.摩尔提出：硅集成电路将按照4年（后来发展到3年）为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、IC工作速度提高1.5倍等规律发展。,10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K,1970,1980,1990,2000,2010,存储器容量按摩尔定律的发展趋势（60%/年，每三年翻两番）,沿着Moore定律发展，必然会提出微电子加工尺度和器件尺度的缩小有无极限的问题。对于加工技术极限，主要是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝光技术的发展。根据目前的技术水平，这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变今日硅芯片以CMOS为基础的局面。,为了突破MOS器件的物理极限，发展下一代微电子芯片，科技界正在研究各种可能的新一代微电子器件，包括：单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件（或统称纳电子学）、厚膜器件和功能器件等等。如果它们中有所突破，那么只要信息化社会发展有需要，微电子芯片仍将沿着Moore定律发展。,DNA 芯片,单电子晶体管(SET),自旋晶体管,碳纳米管晶体管(CNT),取代Si CMOS 的下一代新型器件？,2、片上芯片（SOC）：集成电路IC 集成系统IS,片上芯片（System On a Chip）的概念是20世纪90年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。,七十年代的集成电路设计,微米级工艺基于晶体管级互连主流CAD：图形编辑,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成 工艺无关,系统,集成系统SOC设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,以MPU为核心，集成各种存储器和外围电路于一个芯片上；以DSP为核心，多功能集成为SOC；以上两种的混合或者把系统算法与芯片结构的有机集成。,SOC将为我们带来什么？,3、赋予微电子芯片更多的“灵气”微电子机械系统（MEMS）和微光电机系统（MOEMS）等是20世纪90年代初快速热起来的新技术，被称为硅半导体技术或微电子技术的又一次革命。它的核心是把电子信息系统中的信息获取、信息执行与当前信息处理等主要功能集成于一个芯片上（它们在当前的计算机系统中是分立的）。,MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems),基于微电子和微机械的有机集成，在微电子技术基础上设计及制造特征尺寸在亚微米至毫米之间的微型机械，实现微传感器、微执行器、信号处理和智能控制的一体化集成。,1mm,三轴微加表,微透镜,微马达,微齿轮,微麦克风,微超声波接近传感器,气囊加速度计,90年代中期ICP体硅工艺,九十年代末5层多晶硅技术,1.4 微电子技术的学科特点,是现代电子学的一门分支学科和电子信息领域的重要基 础学科。是以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。所研究对象的空间尺度通常是以微米(m,1m106m)甚至纳米(nm,1nm=10-9m)为单位。是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是集成电路技术发展的方向 是一门综合性很强的边缘学科,其渗透性极强，可以与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、微光机电系统(MOEMS)、生物芯片等。,集成电路技术的特点,巩固基础知识，包括：数字/模拟电路，半导体物理，微电子器件等课程的相关内容。通过实验，多接触一些实物，增强感性认识。积极查阅最新的微电子科技资料，了解国内外集成电路发展现状和趋势。勤于练习，认真完成作业。主动整理学过的知识。努力使所学知识融会贯通，变为己用。以教材为主，补充最近相关基础知识及新发表的期刊文章。每章节小结，突出重点。适当布置课后练习。,1.5 本课程教学方法,Literature searching tools&methods,美国工程索引Engineering IndexEI美国科学引文索引Science citation Index-SCI英国科学文摘Science Abstracts-SA 美国科学评论索引Index of Science Review-ISR美国科技会议录索引 Index to Science&Technical Proceedings-ISTP,Index methods Conventional methods-From library Modern methods-From Internet Some famous searching engines or websites:http:/http:/ieeexplore.ieee.org,Searching flow,一、基本概念 微电子、集成电路、集成度、特征尺寸二、集成电路的几种主要分类方法按工艺 按器件类型按规模三、微电子集成电路技术的发展趋势 提高集成度的主要途径四、一些英文缩写词 IC、VLSI、ULSI、SOC、SIP、IP、MEMS等,本章重点,