《微电子学概论》--Chap03.pptx

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1、第三章第三章 大规模集成电路基础大规模集成电路基础3.1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述集成电路（集成电路（Intergrated Circuit，IC）芯片（芯片（Chip,Die）：没有封装的单个集成电路。）：没有封装的单个集成电路。硅片（硅片（Wafer）：包含许多芯片的大圆硅片。）：包含许多芯片的大圆硅片。集成电路的成品率：集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要品率对集成电路厂家很重要集成电路领域集成电路领域中两个常用术中两个常用术语

2、语集成电路发展的原动力：不断提高的性能集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低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：集成电路的性能指标：集成度集成度 速度、功耗（功耗速度、功耗（功耗延迟积，又称电路的优值。延迟积，又称电路的优值。功耗功耗延延迟积越小，迟积越小，集成电路的速度越快或功耗越低，性能越好集成电路的速度越快或功耗越低，性能越好）特征尺寸（集成电路中半导体器件的最小尺度）特征尺寸（集成电路中半导体器件的最小尺度）可靠性可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积增大硅片面积集成电路的关键

3、技术：光刻技术集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：缩小尺寸：0.5m(深亚微米深亚微米)0.250.18 m(超深亚微米超深亚微米)0.13 m增大硅片：增大硅片：8英寸英寸12英寸英寸亚亚0.1m mm：一系列的挑战，：一系列的挑战，亚亚50nm：关键问题尚未解决：关键问题尚未解决新的光刻技术：新的光刻技术：EUV（甚远紫外）（甚远紫外）SCAPEL(Bell Lab.的的E-Beam)X-ray集成电路的制造过程：集成电路的制造过程：设计设计 工艺加工工艺加工 测试测试 封装封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计原理电路设计电路

4、模拟电路模拟(SPICE)布局布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备原型电路制备测试、评测测试、评测产品产品工艺问题工艺问题定义问题定义问题不符合不符合不符合不符合集成电路产业的发展趋势：集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（独立的设计公司（Design House）独立的制造厂家（标准的独立的制造厂家（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

5、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 双极集成电路基础双极集成电路基础（具有速度快、稳定性好、负载能力强等特点）（具有速度快、稳定性好、负载能力强等特点）有源元件：有源元件：双极晶体管双极晶体管(有电子和空穴两种载流子）有电子和空穴两种载流子）无源元件：电阻、电容、电感等无源元件：电阻、电容、电感等PN结隔离结隔离的平面的平面npn双极晶体管双极晶体管在硅片上形成各自（各种晶体管、二极管、电阻、电容在硅片上形成各自（各种晶体管、二极管、电阻、电容等）电绝缘的隔离区。等）电绝缘的隔离区。一、集成电路中的双极晶体管一、集成电路中的双极晶体管二、双极型数字集成电路二、双极型数

6、字集成电路基本单元：逻辑门电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型（几种主要的）：双极逻辑门电路类型（几种主要的）：4电阻耦合型电阻耦合型-电阻电阻-晶体管逻辑晶体管逻辑(RTL)：4二极管耦合二极管耦合-二极管二极管-晶体管逻辑晶体管逻辑(DTL)4晶体管耦合晶体管耦合-晶体管晶体管-晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL)4合并晶体管合并晶体管-集成注入逻辑集成注入逻辑(I2L)4发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑(ECL)是一种或非门，只要有一是一种或非门，只要有一个输入为高电平，输出则个输入为高电平，输出则为低电平。这种电路速度为低电平。这种电路速度较慢，负载能力和抗干扰较慢，负载能力和抗干扰能力较

7、差。能力较差。是一种与非门，只要有一个是一种与非门，只要有一个输入为低电平，输出则为高输入为低电平，输出则为高电平，只有当所有的输入端电平，只有当所有的输入端都是高电平时，输出才为低都是高电平时，输出才为低电平。这种电路速度慢，但电平。这种电路速度慢，但提高了负载能力和抗干扰能提高了负载能力和抗干扰能力。力。这种电路在速度和延迟功这种电路在速度和延迟功耗积方面有了进一步提高。耗积方面有了进一步提高。这种电路中的器件只工这种电路中的器件只工作在截止区和线性区，作在截止区和线性区，不进入饱和区，它具有不进入饱和区，它具有速度快，逻辑功能强、速度快，逻辑功能强、扇出能力大、抗辐射性扇出能力大、抗辐射

8、性能好等优点。能好等优点。三、双极模拟集成电路三、双极模拟集成电路一般分为：一般分为：1.线性电路（输入与输出呈线性关系）线性电路（输入与输出呈线性关系）运算放大器、直流放大器、音频放大器、中频放大器、宽带运算放大器、直流放大器、音频放大器、中频放大器、宽带放大器、功率放大器、稳压器等放大器、功率放大器、稳压器等2.非线性电路：非线性电路：对数放大器、电压比较器、调制对数放大器、电压比较器、调制/解调器、各种信号发生器解调器、各种信号发生器等等3.接口电路：如接口电路：如A/D、D/A、各种驱动、读出放大电路等、各种驱动、读出放大电路等.为了以较低成本获得所需要的电路功能为了以较低成本获得所需

9、要的电路功能,在设在设计中有一些明显不同于分立元件电路之处计中有一些明显不同于分立元件电路之处,如在元如在元件的选择上件的选择上,宁可多用晶体管而尽量少用无源元件宁可多用晶体管而尽量少用无源元件.3.3 MOS集成电路基础一、集成电路中的一、集成电路中的MOSFET按沟道的导电类型分：按沟道的导电类型分：PMOS、NMOS、CMOS按栅材料分：按栅材料分：硅栅和铝栅。硅栅和铝栅。NMOS还可分成：还可分成：E/E MOS和和E/D MOSDMOS和和VMOS新结构新结构从工艺分从工艺分：P阱工艺、阱工艺、N阱工艺或者双阱工艺阱工艺或者双阱工艺基本电路结构：基本电路结构：MOS器件结构器件结构N

10、沟道增强型沟道增强型MOSFET基本电路结构：基本电路结构：CMOS基本电路结构：基本电路结构：CMOS CMOS集成电路已成为整个半导体集成电路的主流技集成电路已成为整个半导体集成电路的主流技术，目前市场占有率超过术，目前市场占有率超过95%。CMOS是是pMOSFET和和nMOSFET串接起来的一种电路形式，为了串接起来的一种电路形式，为了在同一硅衬底上同时制作出在同一硅衬底上同时制作出p沟和沟和n沟沟MOSFET，必须在同一硅衬底上分别形成，必须在同一硅衬底上分别形成n型和型和p型区域，型区域，并在并在n型区域上制作型区域上制作pMOSFET，在，在p型区域上型区域上制作制作nMOSFE

11、T。如果选用。如果选用n型衬底，则可在衬型衬底，则可在衬底上直接制作底上直接制作pMOSFET，但对于，但对于nMOSFET必必须在硅衬底上形成须在硅衬底上形成p型扩散区（常称为型扩散区（常称为p阱）以阱）以满足制备满足制备nMOSFET的需要。的需要。深亚微米深亚微米CMOS晶体管结构晶体管结构STI(Shallow Trench Isolation)（浅沟道绝缘）（浅沟道绝缘）二、二、MOS数字集成电路数字集成电路1.MOS开关开关(以增强型以增强型NMOS为例为例)一一个个MOS管管可可以以作作为为一一个个开开关关使使用用，电电路路中中Cl是是其其负负载载电容。电容。当当Vg=0时，时，

12、T截止，相当于开关断开。截止，相当于开关断开。当当Vg=1时，时，T导通，相当于开关合上。导通，相当于开关合上。NMOS管开关管开关ViVg-Vt时：输入端处于开启状态，设初始时时：输入端处于开启状态，设初始时Vo=0，则，则Vi刚加上时，输出端也处于开启状态，刚加上时，输出端也处于开启状态，MOS管导通，沟管导通，沟道电流对负载电容道电流对负载电容Cl充电，直至充电，直至Vo=Vi。ViVg-Vt时时：输输入入沟沟道道被被夹夹断断，设设初初始始VoVg-Vt，则则Vi刚刚加加上上时时，输输出出端端导导通通，沟沟道道电电流流对对Cl充充电电，随随着着Vo的的上上升升，沟沟道道电电流流逐逐渐渐减

13、减小小，当当Vo=Vg-Vt时时，输输出出端端也也夹夹断，断，MOS管截止，管截止，Vo保持保持Vg-Vt不变。不变。综上所述：综上所述：ViVg-Vt时，时，MOS管无损地传输信号；管无损地传输信号；ViVg-Vt时时，Vo=Vg-Vt信信号号传传输输有有损损失失，称称为为阈阈值值损损失失，对对于于高高电电平平1，NMOS开开关关输输出出端损失一个端损失一个Vt；PMOS管开关管开关 传输高电平传输高电平1逻辑：逻辑：信号可以无损的传输；信号可以无损的传输；传输低电平传输低电平0逻辑：逻辑：信号传输有阈值损失；信号传输有阈值损失；CMOS传输门传输门(开关开关)0 1 2 3 4 5 ViV

14、o54321双管通N管通P管通ViVoVddVgpVgnCMOS传输门传输门 为了解决为了解决NMOS管在传输管在传输1电平、电平、PMOS在传输在传输0电电平时的信号损失，通常采用平时的信号损失，通常采用CMOS传输门作为开关使用。它传输门作为开关使用。它是由一个是由一个N管和一个管和一个P管构成。工作时，管构成。工作时，NMOS管的衬底接地，管的衬底接地，PMOS管的衬底接电源，且管的衬底接电源，且NMOS管栅压管栅压Vgn与与PMOS管的栅管的栅压压Vgp极性相反。极性相反。Vgp=1，Vgn=0时：双管截止，相当于开关断开；时：双管截止，相当于开关断开；Vgp=0，vgn=1时：双管有

15、下列三种工作状态：时：双管有下列三种工作状态：ViVgn+Vtn N管导通，管导通，Vi Vgp+|Vtp|P管截止管截止 Vi通过通过n管对管对Cl充电至：充电至：Vo=ViViVgp+|Vtp|P管导通管导通 Vi通过双管对通过双管对Cl充电至：充电至：Vo=ViVi Vgn+Vtn N管截止，管截止，Vi Vgp+|Vtp|P管导通管导通 Vi通过通过P管对管对Cl充电至：充电至：Vo=Vi通通过过上上述述分分析析，CMOS传传输输门门是是较较理理想想的的开开关关，它它可可将将信信号号无损地传输到输出端。无损地传输到输出端。2.反相器反相器数字电路的最基本单元，逻数字电路的最基本单元，逻

16、辑辑“非非”功能；功能；按负载元件：电阻负载、增按负载元件：电阻负载、增强负载、耗尽负载和互补负强负载、耗尽负载和互补负载。载。按负载元件和驱动元件之间按负载元件和驱动元件之间的关系：有比反相器和无比的关系：有比反相器和无比反相器。反相器。负载元件驱动元件V0Vdd ViVssMOS反相器主要类型反相器主要类型u电阻负载反相器（电阻负载反相器（E/R）u增强型负载反相器（增强型负载反相器（E/E）饱和负载饱和负载非饱和负载非饱和负载u耗尽负载反相器（耗尽负载反相器（E/DE/D）栅漏短接的栅漏短接的E/DE/D反相器反相器栅源短接的栅源短接的E/DE/D反相器反相器uCMOS反相器反相器有比反

17、相器无比反相器根据负载元件的不同类型根据负载元件的不同类型分为以上四类分为以上四类根据负载元件和驱动元件之根据负载元件和驱动元件之间的关系分为以上两类间的关系分为以上两类(a).电阻负载反相器（电阻负载反相器（E/R）Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=VddVi=Vdd时：输出为低电平：其中Ron为Me管的导通电阻。为了使Vol足够低，要求Ron与Rl应有合适的比例。因此，E/R反相器为有比反相器。VddVoVssViRlMe（b）.增强型增强型负载反相器（负载反相器（E/E）E/E饱和负载反相器VddVoVssViMlMeE/E非饱和非饱和负载反相器负载反相器VddVoVssVi

18、MlMeVggVdd+Vte（c）.耗尽耗尽负载反相器（E/D）栅漏短接的栅漏短接的E/DE/D反相器：反相器：工作情况与工作情况与E/EE/E非饱和负载反相器特性相同，非饱和负载反相器特性相同，这里不再介绍了。这里不再介绍了。VddVoVssViMlMe栅源短接的E/D反相器 VssVoViVddMlMeE/R、E/E、E/D反相器都是有比电路反相器都是有比电路(ratioed gate):即输出低电平和即输出低电平和驱动管的尺寸驱动管的尺寸有关。有关。（d）CMOS反相器反相器（一对互补的（一对互补的MOSFET组成）组成）Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，Voh=VddVi为高电平时：

19、Tn导通，Tp截止，Vol=03.CMOS反相器电压传输特性反相器电压传输特性VTCVin(V)Vout(V)CMOS反相器电压传输特性反相器电压传输特性VTCVin(V)Vout(V)NMOS截止截止PMOS线性线性NMOS饱和饱和PMOS线性线性NMOS饱和饱和PMOS饱和饱和NMOS线性线性PMOS饱和饱和NMOS线性线性PMOS截止截止abcdef0 ViVtn时：时：N管截止管截止 P管线性（管线性（ViVtnVo+Vtp）P管无损地将管无损地将Vdd传送到输出端：传送到输出端：Vo=Vdd，如图如图ab段。段。Vtn ViVo+Vtp时：时：N管饱和管饱和 P管线性管线性如图如图b

20、c段段Vo+Vtp Vi Vo+Vtn时：时：N管饱和管饱和 P管饱和管饱和Vo与与Vi无关无关(Vo与与Vi的关系为一条垂直线的关系为一条垂直线)，称为，称为CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压Vth，或，或转换电压，如图转换电压，如图cd段。段。Vo+Vtn Vi Vdd+Vtp时：时：N管线性管线性 P管饱和管饱和如图如图de段。段。Vdd+Vtp Vi Vdd时：时：N管线性管线性 P管截止管截止Vo=0 如图如图ef段。段。CMOS反相器有以下优点：反相器有以下优点：（1）传输特性理想，过渡区比较陡）传输特性理想，过渡区比较陡（2）逻辑摆幅大：）逻辑摆幅大：Voh=Vdd,Vol

21、=0（3）一般）一般Vth位于电源位于电源Vdd的中点，即的中点，即Vth=Vdd/2，因此，因此噪声容限很大。噪声容限很大。（4）只要在状态转换为）只要在状态转换为be段时两管才同时导通，才有段时两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。电流通过，因此功耗很小。（5）CMOS反相器是利用反相器是利用p、n管交替通、断来获取输出高、管交替通、断来获取输出高、低电压的，而不象单管那样为保证低电压的，而不象单管那样为保证Vol足够低而确定足够低而确定p、n管的尺寸，因此管的尺寸，因此CMOS反相器是无比（反相器是无比（Ratio-Less）电路。）电路。VDDGNDNMOS(2/.24=8/1)

22、PMOS(4/.24=16/1)metal2metal1polysiliconInOutmetal1-polymetal2-metal1 viametal1-diff viapdiffndiffCMOS反相器版图（Layout）各种反相器对比各种反相器对比希望反相器的过渡区越陡越好，希望反相器的过渡区越陡越好，CMOS反相器反相器最接近于理想反相器。最接近于理想反相器。VddVi VddVdd-Vt VolVo理想波形CMOS反相器E/D反相器E/R反相器E/E饱和负载4.CMOS基本逻辑门基本逻辑门CMOS通用结构：通用结构：VDDF(In1,In2,InN)In1In2InNIn1In2I

23、nNPUNPDNPMOS onlyNMOS only串连的串连的NMOS可构造可构造AND函数函数并联的并联的NMOS可构造可构造OR函数函数XYABY=X if A and BXYABY=X if A OR BNMOS Transistors pass a“strong”0 but a“weak”1串连的串连的PMOS可构造可构造NOR函数函数并联的并联的PMOS可构造可构造NAND函数函数XYABY=X if A AND B=A+BXYABY=X if A OR B=ABPMOS Transistors pass a“strong”1 but a“weak”0CMOS与非门（与非门（NAN

24、D）CMOS或非门（或非门（NOR）CMOS复合逻辑门复合逻辑门5.CMOS闩锁效应闩锁效应由于寄生的可控硅效应引起由于寄生的可控硅效应引起CMOS电路的电源和地之间电路的电源和地之间的短路，使的短路，使CMOS集成电路失效。集成电路失效。防止防止latch-up的方法：的方法：1.使使N沟器件远离沟器件远离N阱，减小横向阱，减小横向NPN管的管的b b值；但值；但会是芯片面积增大。会是芯片面积增大。2.使使Rnwell和和Rpsubs尽量小；尽量小；使用尽量多的阱接触孔和衬底接触孔；使用尽量多的阱接触孔和衬底接触孔；对于大电流器件使用保护环：对于大电流器件使用保护环：PMOS管周围加接电源的

25、管周围加接电源的N+保护环；保护环；NMOS管周围加接地的管周围加接地的P+保护环；保护环；大多数情况下，通过仔细地设计版图可以消除大多数情况下，通过仔细地设计版图可以消除latch-up。3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：器件的门延迟：迁移率迁移率 沟道长度沟道长度电路的互连延迟：电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）线电容（介电常数、面积）途径：途径：提高迁移率，如提高迁移率，如GeSi材料材料减小沟道长度减小沟道长度互连的类别：互连的类别：芯片内互连、芯片间互连芯片内互连、芯片间互连 长

26、线互连长线互连(Global)中等线互连中等线互连 短线互连短线互连(Local)门延迟时间与沟到长度的关系门延迟时间与沟到长度的关系减小互连的途径：减小互连的途径：增加互连层数增加互连层数 增大互连线截面增大互连线截面 Cu互连、互连、Low K介质介质 多芯片模块（多芯片模块（MCM）系统芯片（系统芯片（System on a chip）减小特征尺寸、提高集成度、减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、互连、系统优化设计、SOC集成电集成电路芯片路芯片中金属中金属互连线互连线所占的所占的面积与面积与电路规电路规模的关模的关系曲线系曲线 互连线宽与互连线延迟的关系互连线宽与互连线延

27、迟的关系互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：（资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998Solidstate Technology Oct.,1998）集成电路中的材料集成电路中的材料小结：小结：Bipolar：基区基区(Base)，基区宽度，基区宽度Wb发射区发射区(Emitter)收集区收集区(Collector)NPN，PNP共发射极特性曲线共发射极特性曲线放大倍数放大倍数、特征频率特征频率fT小结：小结：MOS沟道区沟道区(Channel)，沟道长度，沟道长度L，沟道宽度，沟道宽度W栅极栅极(Gate)源区源区/源极源极(S

28、ource)漏区漏区/漏极漏极(Drain)NMOS、PMOS、CMOS阈值电压阈值电压Vt，击穿电压，击穿电压特性曲线、转移特性曲线特性曲线、转移特性曲线泄漏电流泄漏电流(截止电流截止电流)、驱动电流、驱动电流(导通电流导通电流)小结：器件结构小结：器件结构双极器件的纵向截面结构、俯视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、俯视结构器件的纵向截面结构、俯视结构CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理IC：有源器件、无源器件、隔离区、互：有源器件、无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层连线、钝化保护层作作 业业画出画出CMOS反相器的截面图反相器的截面图和俯视图和俯视图画出双极晶体管的截面图画出双极晶体管的截面图作业：给出下列表达式的CMOS电路OUT=D+A (B+C)DABCDABCOUT=D+A (B+C)