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大规模集成电路基础

大规模集成电路基础. 北京大学. 硅片上好的芯片数. 100%. Y=. 硅片上总的芯片数. 3. 1 半导体集成电路概述. 集成电路（ Integrated Circuit ， IC ）. 芯片（Chip, Die） 硅片（ Wafer）. 集成电路的成品率：. 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. 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. 集成电路发展的原动力：不断提高的性能 / 价格比. 集成电路发展的特点：性能提高、价格降低.

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大规模集成电路基础

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Presentation Transcript

  1. 大规模集成电路基础 北京大学

  2. 硅片上好的芯片数 100% Y= 硅片上总的芯片数 3. 1半导体集成电路概述 集成电路（Integrated Circuit，IC） 芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer） 集成电路的成品率： 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

  3. 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 集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比 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

  4. 缩小尺寸：0.25~0.18mm 增大硅片：8英寸~12英寸 集成电路的关键技术：光刻技术(DUV) 新的光刻技术： EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray 亚0.1mm：一系列的挑战， 亚50nm：关键问题尚未解决

  5. 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) 不符合 布局(Layout) 考虑寄生因素后的再模拟 不符合 原型电路制备 测试、评测 工艺问题 定义问题 产品 集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装

  6. 集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（Design House） 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

  7. 3.2 双极集成电路基础 有源元件：双极晶体管 无源元件：电阻、电容、电感等

  8. 双极数字集成电路 基本单元：逻辑门电路 • 双极逻辑门电路类型： • 电阻-晶体管逻辑 (RTL) • 二极管-晶体管逻辑 (DTL) • 晶体管-晶体管逻辑 (TTL) • 集成注入逻辑 (I2L) • 发射极耦合逻辑 (ECL)

  9. 双极模拟集成电路 一般分为： 线性电路（输入与输出呈线性关系） 非线性电路 接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等

  10. 3.3 MOS集成电路基础 基本电路结构：MOS器件结构

  11. 基本电路结构：CMOS

  12. 基本电路结构：CMOS

  13. IN OUT W MOS集成电路 数字集成电路、模拟集成电路 MOS 数字集成电路 基本电路单元： CMOS开关 CMOS反相器 W CMOS开关

  14. VDD VDD OUT IN Y A1 A2 CMOS反相器 与非门：Y=A1A2

  15. 3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势 • 有源器件 • 无源器件 • 隔离区 • 互连线 • 钝化保护层 • 寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感

  16. 3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势 器件的门延迟： 迁移率 沟道长度 途径： 提高迁移率，如GeSi材料 减小沟道长度 互连的类别： 芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global) 中等线互连 短线互连(Local) 电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积）

  17. 门延迟时间与沟到长度的关系

  18. 减小互连的途径： 增加互连层数 增大互连线截面 Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM） 系统芯片（System on a chip） 减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC

  19. 集成电路芯片中金属互连线所占的面积与电路规模的关系曲线集成电路芯片中金属互连线所占的面积与电路规模的关系曲线

  20. 互连线宽与互连线延迟的关系

  21. 互连技术与器件特征尺寸的缩小 • （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）

  22. 集成电路中的材料

  23. 基区(Base)，基区宽度Wb 发射区(Emitter) 收集区(Collector) NPN，PNP 共发射极特性曲线 放大倍数、 特征频率fT 小结：Bipolar：

  24. 小结：MOS • 沟道区(Channel)，沟道长度L，沟道宽度W • 栅极(Gate) • 源区/源极(Source) • 漏区/漏极(Drain) • NMOS、PMOS、CMOS • 阈值电压Vt，击穿电压 • 特性曲线、转移特性曲线 • 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)

  25. 小结：器件结构 • 双极器件的纵向截面结构、俯视结构 • CMOS器件的纵向截面结构、俯视结构 • CMOS反相器的工作原理 • IC：有源器件、无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层

  26. 画出CMOS反相器的截面图和俯视图 画出双极晶体管的截面图和俯视图 作 业

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