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1、北京大学,大规模集成电路基础,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,集成电路的性能指标:集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性,主要途径:缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积,功耗 延迟积,集成电路的关键技术:光刻技术(DUV),缩小尺寸:0.250.18mm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
2、技术:EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam)X-ray,集成电路的制造过程:设计 工艺加工 测试 封装,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,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,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
3、入逻辑(I2L)发射极耦合逻辑(ECL),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,3.3 MOS集成电路基础,基本电路结构:MOS器件结构,基本电路结构:CMOS,基本电路结构:CMOS,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,CMOS开关,W,W,VDD,IN,OUT,CMOS反相器,VDD,Y,A1,A2,与非门:Y=A1A2,3.4 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,3.4
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,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),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),门延迟时间与沟到长度的关系,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,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,互连线宽与互连线延迟的关系,互连技术与器件特
5、征尺寸的缩小(资料来源:Solidstate Technology Oct.,1998),集成电路中的材料,小结:Bipolar:,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: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),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,作 业,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,