《工程学概论》超大规模集成电路基础

第五章大规模集成电路基础5.1半导体集成电路分类5.2半导体集成电路概述5.3影响集成电路性能的因素和发展趋势5.1、集成电路分类•集成电路的分类–器件结构类型–集成电路规模•使用的基片材料–电路形式–应用领域1.按器件结构类型分类•双极集成电路：主要由双极晶体管构成–NPN型双极集成电路–PNP型双极集成电路•金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成–NMOS–PMOS–CMOS(互补MOS)•双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高2.按集成电路规模分类•集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。•小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)•中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)•大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)•超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)•特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)•巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍。这就是由Intel公司创始人之一GordonE.Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。22微电子技术发展的ROADMAPSSIMSILSIVLSIULSIGSI元件数102102~103103~105105~107107~109109门数1010~102102~104104~106106~1081083.按结构形式的分类•单片集成电路：–它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路–在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等•混合集成电路：–厚膜集成电路–薄膜集成电路4.按电路功能分类•数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路•模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路–线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等–非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路•数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双极型单片集成电路按结构分类集成电路集成电路的分类5.2半导体集成电路概述集成电路（IntergratedCircuit，IC）芯片（Chip,Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好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集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.25~0.18mm~0.09mm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技术：EUVSCAPEL(BellLab.的E-Beam)X-ray集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装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)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合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1.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2.MOS集成电路基础基本电路结构：CMOSMOS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INOUTCMOS开关WWVDDINOUTCMOS反相器VDDYA1A2与非门：Y=A1A25.3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)门延迟时间与沟道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、LowK介质多芯片模块（MCM）系统芯片（Systemonachip）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征尺寸的缩小（资料来源：SolidstateTechnologyOct.,1998）Motorata开发的六层Cu互连结构的相片多层互连结束语