第一、二章集成电路设计基础

集成电路设计基础BASICICDESIGN第一章集成电路设计基础概述第一节集成电路的发展第二节集成电路的分类第三节本课程主要内容及要求第二章集成电路制造工艺第一节集成电路工艺概述第二节集成电路生产过程第三节集成电路制造工艺的关键技术第四节CMOS工艺流程及器件直流模型目录目录（续）第三章集成电路基本模块设计第一节开关第二节有源电阻第三节电流源和电流阱第四节电压基准和电流基准第四章模拟集成电路设计第一节集成电路设计流程与实现方法第二节模拟集成电路系统设计第三节电路基本模块设计第四节电路设计与参数计算第五节A741集成运放参数指标目录（续）第五章集成电路设计第一节基本概念第二节数字集成电路基本模块设计第三节信号传输延迟第四节功率损耗与噪声第五节数字集成电路设计第六章集成电路CAD第一节集成电路CAD基本概念第二节几种常用软件的介绍第一章集成电路设计基础概述教学目的和要求1、了解本课程的学习内容及知识体系2、微电子学、集成电路基本概念3、掌握集成电路分类及性能描述的主要指标第一节集成电路的发展一、概念微电子学：主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及应用，并利用它实现信号处理功能的科学，其目的是实现电路和系统的集成。集成电路：（IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容器等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或者说陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。二、集成电路的优点及主要性能优点：体积小、能耗低、价廉、性能好。集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目优值（功耗延迟积）：是指电路的延迟时间与功耗相乘。特征尺寸：通常是指集成电路中半导体器件的最小尺度。第二节集成电路的分类一、按结构分：1、单片集成电路：双极型：NPNPNP速度快、驱动能力、功耗大、成度低MOS型：PMOS、NMOS、CMOS能耗低、输入阻抗、高抗干扰强、集成度高BiMOS型：兼有二者优点，但工艺复杂2、混合集成电路：厚膜集成电路、薄膜集成电路。二、按集成度分：数字模拟MOS型双极型小规模（SSI）10210030中规模（MSI）102~103100~50030~100大规模（LSI）103~105500~2000100~30超大规模（VLSI）105～1072000300特大规模（ULSI）107~109巨大规模（GSI）109三、按功能分：1、数字集成电路组合逻辑、时序逻辑2、模拟集成电路：线性集成电路、非线性集成电路3、数模混合集成电路：如D/AA/D四、按应用领域分民用、工业投资源、军用、航空/航天五、应用性质分：通用IC、专用IC（ASIC）第三节本课程的主要内容及要求一、本课程的教学目的掌握有关集成电路设计和生产过程中的基本概念；对集成电路的设计、生产过程的基本知识有一个比较系统、全面的了解和认识；熟悉集成电路的设计方法及常用电路组件的功能分析、设计和应用；学习利用CAD工具PSPICE进行器件级的模拟电路设计；学习基于在系统可编程技术的系统级的数字集成电路设计。二、主要内容及要求了解集成电路的生产过程，主要是芯片加工工艺，结合一种典型的集成加工工艺过程，对各种工序在整个工艺流程中的作用和意义有全局性的认识，并掌握一些重要工艺的概念和作用，安排在第二章集成电路制造工艺中介绍。重点是学习集成电路设计，包括总体设计思路及流程、设计实现的方法、版图设计及设计规则、常用电路组件的设计，功能模块设计。学习应用PSPICE软件设计模拟电路、在系统可编程技术设计数字系统的理论与实践。介绍CAD概念和常用软件。第二章集成电路制造工艺教学目的和要求：1、了解集成电路制造的过程和典型工艺流程。2、了解集成电路制造过程中的关键技术及概念。3、理解集成电路设计规则及其意义，初步认识集成电路工艺水平对集成电路发展的影响。第一节概述意义：1、了解集成电路制造的基本过程的常识2、为了得到最佳集成电路设计所需要的灵活性，有必要在工艺和制造技术方面有很好的了解，以便借助于工艺技术方面的知识，在电路设计过程中可以考虑实际的版图布局等问题；3、工艺参数的知识使设计者在设计过程中能够进行成品率的计算，在成品率、性能以及简化设计之间实现平衡折衷。第二节集成电路的生产过程一、集成电路制造过程1、示意图：设计掩模板装配单晶材料芯片制造检测图2-1集成电路制造过程示意图二、平面工艺技术框图图2-2平面工艺基本框图生成保护膜确定工作窗口开设窗口渗入杂质图象转移二、典型双极工艺制造过程（以PN结隔离技术）1.双极NPN晶体管的截面图集电区N+发射区N+基区P隔离埋层N+PSi衬底图2-3双极NPN(PN结隔离)晶体管的截面图外延层N+N+N+P+P+NNPN+Sio2N+2．工艺流程(1)制作埋层（图2.4a）SiO21#掩模版（2）生长外延层（图2.4B）N+（3）形成隔离岛（图2.4C）2＃掩模版（4）形成基区（图2.4D）P+N3#掩模版PSi(5)形成发射区，集电区(图2.4E)4＃掩模版（6）金属化(图2.4F)5＃掩模版（7）连线三、小结：双极性工艺过程，芯片制造主要包括三类技术：1、图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术。2、薄膜制造技术：主要包括外延、氧化、化学汽相淀积，物理汽相淀积（如溅射，蒸发）等。3、掺杂技术：主要包括扩散和离子注入技术。第三节集成电路制造工艺的关键技术一、图形转换技术：将掩膜板上设计好的图形转移到硅片上的技术，包括光刻与刻蚀技术。1、光刻：概念：是指通过类似于洗印照片的原理，通过暴光和选择腐蚀等工序，将掩膜版上设计好的图形转移到硅片表面涂敷的感光胶上的过程。光刻包括：光刻胶、掩膜板、光刻机三要素光刻技术决定着集成电路特征尺寸和时延。分类（1）光刻常见的方法①接触式②接近式：③投影式：（2）超细线光刻技术（短波长的射线进行光刻）①甚远紫外线光刻②电子束光刻：③X射线光刻：④离子束光刻：2、刻蚀技术：（1）概念：将未被光刻胶掩蔽的部分有选择地腐蚀掉，从而实现将光刻胶图形转换为硅片上的图形的方法。分类：①湿法刻蚀②干法刻蚀刻蚀直接影响到特征尺寸二、薄膜制备技术概念：指通过一定的工序，在衬底表面生产成一层薄膜的技术，此薄膜可以是作为后序加工的选择性的保护膜、作为电绝缘的绝缘膜、器件制作区的外延层、起电气连接作用的金属膜等。分类：氧化、化学汽相淀积、物理汽相淀积等等。1、氧化:(1)概念:主要是指在硅表面生长二氧化硅(SiO2）膜。(2)作用：①在MOS集成电路中，SiO2层作为MOS器件的绝缘栅介质，到深亚微术或亚0.1μm工艺后，用氮氧化硅膜替代（是因为随特征尺寸缩小，膜厚减小，氮氧化硅绝缘性能更好）。②在扩散硼、磷、砷等杂质时用作掩蔽膜。③作为集成电路的隔离介质材料。④作为电容器的绝缘介质的材料。⑤作为多层金属互连层之间的介质材料。⑥作为对器件和电路进行钝化层材料。（1）概念：指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。VCD的结构可以是单晶、多晶或非晶态。（2）作用：生长外延层，淀积隔离膜，导电线等。3、物理汽相淀积（1）概念：用物理的方法，如蒸发、溅射等技术，在半导体表面淀积薄膜的技术，(2)作用:主要用于实际集成电路互联的金属薄膜。2、化学汽相淀积（VCD）三、掺杂技术概念:掺杂是指将需要的杂质掺入特定的半导体区域中以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触等各种结构的目的。分类主要有：扩散、离子注入两种1、扩散概念：扩散是微观粒子热运动的统计结果，是指杂质从浓度高的地方向浓度低的地方运动的过程。2、离子注入概念：离子注入是将具有很高能量的带电杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。第四节CMOS工艺流程与直流模型一、P阱CMOS工艺主要流程1、P阱CMOS晶体管的截面图：PMOS栅极NMOS栅极2、P阱CMOS晶体管的工艺流程（1）定义P阱（图2.7(a)）1#掩膜版（2）确定有源区2#掩膜版（3）确定多晶硅栅3#掩膜版（4）PMOS管源漏区形成4#掩膜版（5）NMOS管源漏区形成5#掩膜版（6）引线孔6#掩膜版（7）铝引线形成7#掩膜版二、MOS晶体管的直流模型1、MOS场效应晶体管Shichman-Hodges模型（1）模型要求①直流模型，要表示器件在直流及低频下工作时，端电压和电流之间的数学函数关系。②以设计参数和工艺参数为参量，并在很宽的几何尺寸、工艺参数以及工作条件范围内，精确地预示实验特性。（2）低频MOS场效应晶体管模型低频MOS场效应晶体管模型(续)3µm,CMOS典型工艺参数2、模型的意义建立了工艺参数，电学参数，几何设计参数三者之间的关系，是版图设计的基础。即，对于给定的工艺（工艺参数已知），根据晶体管在电路电所起的作用（电学参数的要求），可以求出掩膜板的几何参数（即设计参数）。第五节集成电路的设计规划1、概念：集成电路设计规划通常指的是版图设计规划，即几何设计规划，它是集成电路设计和工艺制备之间的接口，是电路设计人员必须遵从的设计约束条件。2、制定设计规划的目的（意义）：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度偏差和不同层掩膜版套准偏差可能带来的问题，尽可能提高电路成品率。3、内容：在考虑器件正常工作的条件下，根据实际工艺水平（包括光刻水平、刻蚀能力、对准容差等）和成品率的要求，给出一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现。4、设计规则表示方法（1）以λ为单位的设计规则。（2）以微米为单位的设计规则。