半导体集成电路原理与设计—绪论
合集下载
半导体集成电路第2章
oxide silicon substrate silicon substrate
oxide
2014-5-15
去胶
field oxide
oxide silicon substrate silicon substrate
定义：为获得器件的结构必须把光刻胶的图
形转移到光刻胶下面的各层材料上面去。 目的：刻蚀的主要内容就是把经曝光、显影 后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉， 即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。
虽然，光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，但因为这两个 工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移。在工 艺线上，这两个工艺是放在同一工序，因此，有时也将这两 个工艺步骤统称为光刻。
湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀 的方法。优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简 单、成本低。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。 干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或 游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等 )与材料 发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。
几种常见的光刻方法
接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜
版和光刻胶膜的损伤。
接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小
的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损 伤，分辨率较低
投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的
图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多 的曝光方式
刻蚀
刻蚀是用物理或者化学的方法有选择的从硅 片表面除去不需要的材料的过程
制成的硅锭要按电阻率和晶格完整度进行分 类，然后将尾部切除，再进行机械修整。 在硅锭上需要打磨出一条或多条平边，以指 示晶体方向和掺杂类型。 磨平后，用化学洗剂去除机械研磨造成的损 伤，再进行切割。 切割后，再用一系列步骤去除残留的机械损 伤，再用化学机械抛光等办法对晶圆进行抛 光。
集成电路设计-引言分解
电路应用的重要领域。 日用电子技术和产品 军事和航天技术的发展对集成电路提出了更为苛刻和
更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈
来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。
产业格局与产业结构
集成电路的生命力在于它可以大批量、低 成本和高可靠地生产出来。
50年代 晶体管得到大发展（材料由GeSi）
1952年 英国科学家杜默(J.W.Dummer)首次提出了集成电路 (Integrated Circuit——IC)思想。
——“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未 来电子设备是一种没有连接线的固体组件．”
1958年 发明第一块简单IC 美国TI公司 Jack S.Kilby 基尔比
每片含100至 5，0O0个等效门或含有1，000至 100，000个元件的集成电路称为大规模集成电 路(LSI)；
每片有5，O00个门或100，000个元件以上的集 成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。
如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：
IC按集成度的分类
分类
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
集成电路芯片价格：101 ~ 102美元 生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米） 要想赢利：年产量~108
集成电路芯片是整机高附加值的倍增器， 但不是最终产品，如果不能在整机和系统 中应用，那它就没有价值和高附加值
决定集成电路产业的建设必须首先考虑整 机和系统应用的发展，即市场的需求
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈
来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。
产业格局与产业结构
集成电路的生命力在于它可以大批量、低 成本和高可靠地生产出来。
50年代 晶体管得到大发展（材料由GeSi）
1952年 英国科学家杜默(J.W.Dummer)首次提出了集成电路 (Integrated Circuit——IC)思想。
——“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未 来电子设备是一种没有连接线的固体组件．”
1958年 发明第一块简单IC 美国TI公司 Jack S.Kilby 基尔比
每片含100至 5，0O0个等效门或含有1，000至 100，000个元件的集成电路称为大规模集成电 路(LSI)；
每片有5，O00个门或100，000个元件以上的集 成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。
如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：
IC按集成度的分类
分类
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
集成电路芯片价格：101 ~ 102美元 生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米） 要想赢利：年产量~108
集成电路芯片是整机高附加值的倍增器， 但不是最终产品，如果不能在整机和系统 中应用，那它就没有价值和高附加值
决定集成电路产业的建设必须首先考虑整 机和系统应用的发展，即市场的需求
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
集成电路分析与设计PPT课件
Intel公司微处理 器—Pentium® 4
25
2 集成电路发展
Intel公司微处理 器—Pentium® 6
26
2 集成电路发展 Intel Pentium 4微处理器
27
2 集成电路发展 Intel XeonTM微处理器
28
2 集成电路发展 Intel Itanium微处理器
29
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
30
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
31
2 集成电路发展
晶体管数目
2003年一年内制造出的晶 体管数目达到1018个，相 当于地球上所有蚂蚁数量 的100倍
32
2 集成电路发展
芯片制造水平
2003年制造的芯片尺寸控制 精度已经达到头发丝直径的1 万分之一，相当于驾驶一辆 汽车直行400英里，偏离误差 不到1英寸！
33
2 集成电路发展
晶体管的工作速度
1个晶体管每秒钟的开关 速度已超过1.5万亿次。 如果你要用手开关电灯 达到这样多的次数，需 要2万5千年的时间！
34
2 集成电路发展
半导体业的发展速度
1978年巴黎飞到纽约的 机票价格为900美元，需 要飞7个小时。如果航空 业的发展速度和半导体业
1960年，Kang和Atalla研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOSFET
1962年出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS 集成电路
早期MOS技术中，铝栅P沟MOS管是最主要的技术，60年代后期，多晶 硅取代铝成为MOS晶体管的栅材料
1970’s解决了MOS器件稳定性及工艺复杂性之后，MOS数字集成电路 开始成功应用
一个有关集成电路发展趋势的著名 预言，该预言直至今日依然准确。
第1章集成电路设计导论
第1章 集成电路设计导论
1、微电子（集成电路）技术概述 2、集成电路设计步骤及方法
1
集成电路设计步骤
➢ “自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设 计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统 设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数 字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法 。
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
标准单元法也存在不足：பைடு நூலகம்
(1) 原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时， 单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时 间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2) 成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因 而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。
不满足 后仿真
满足
VLS流I数片、字封I装C、的测设试 计流图
功能要求
系统建模 （Matlab等）
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
模流拟片、IC封的装、设测计试 流图
3
集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）
1、微电子（集成电路）技术概述 2、集成电路设计步骤及方法
1
集成电路设计步骤
➢ “自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设 计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统 设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数 字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法 。
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
标准单元法也存在不足：பைடு நூலகம்
(1) 原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时， 单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时 间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2) 成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因 而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。
不满足 后仿真
满足
VLS流I数片、字封I装C、的测设试 计流图
功能要求
系统建模 （Matlab等）
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
模流拟片、IC封的装、设测计试 流图
3
集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）
集成电路原理与设计课件3.2MOS器件瞬态和无源器件
材料
方块电阻(Ω/□)
n+、 p+扩散层
50~150
n+、 p+扩散层 （有硅化物 ）
3~5
N阱
1000 ~1500
多晶硅
150~200
多晶硅（有硅化物 ）
4~5
金属铝
0.05~0.1
40
减小互连线寄生电阻
41
Wire Spacing Comparisons
Intel P856.5 Al, 0.25m
- 0.10
M6
M4
- 0.50
M5
M3
- 0.50
M4
- 0.50
M3
M2
- 0.70
M2
M1
- 0.97
M1
From MPR, 2000
42
互连线
寄生电容 寄生电阻 寄生电感 互连线引起的可靠性问题 互连线的RC延迟
43
连线的寄生电感
VL
(t)
L
diL dt
44
寄生电感的典型值
2 MOS晶体管的寄生电容
源、漏区pn结电容
CSB ASC jA PSC jP nC jc CDB ADC jA PDC jP nC jc
C jA
C
j
0
1
V Vbi
1 2
C jP
C
jp
0
1
V Vbi
1 3
14
栅-源、栅-漏覆盖电容
LD
CG'S n+
CG' D n+
CGS ' CGD ' WLDCox CGS ' WCGS0 , CGD ' WCGD0
半导体物理-绪论
高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取 得了突破性成就，获得物理学奖一半的奖金，共500万瑞 典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体 成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享 另一半奖金。
英国曼彻斯特大学物 理学家 安德烈·980－2000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为
21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体 工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集 成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是 以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 德国科学家彼得·格林贝格尔
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时 较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应 开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制 成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在 是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨 烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜 线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定 了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。
《科学》：2009年十大科学突破 石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜
英国曼彻斯特大学物 理学家 安德烈·980－2000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为
21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体 工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集 成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是 以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 德国科学家彼得·格林贝格尔
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时 较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应 开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制 成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在 是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨 烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜 线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定 了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。
《科学》：2009年十大科学突破 石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
？ ？第一部分 考试试题第 0 章 绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类5.什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响6.名词解释：集成度、wafer size 、die size 、摩尔定律？第 1 章 集成电路的基本制造工艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述一下 pn 结隔离的 NPN 晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p 阱 CMOS 的光刻步骤？5.以 p 阱 CMOS 工艺为基础的BiCMOS 的有哪些不足？6.以 N 阱 CMOS 工艺为基础的BiCMOS 的有哪些优缺点？并请提出改进方法。
7. 请画出 NPN 晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出 C MOS 反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第 2 章 集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2. 什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是 MOS 晶体管的有源寄生效应？4. 什么是 MOS 晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up ”效应的方法？6.如何解决 MOS 器件的场区寄生 MOSFET 效应？7. 如何解决 MOS 器件中的寄生双极晶体管效应？第 3 章 集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和 MOS 集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。
5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻 200 欧，阻值为 1K 的电阻，已知耗散功率为 20W /c ㎡,该电阻上的压降为 5V,设计此电阻。
半导体制造工艺培训课程(56页)
图1-9 PN结电容结构
13
1.2 基本半导体元器件结构
图1-10 MOS场效应晶体管电容结构
14
1.2 基本半导体元器件结构
1.2.2 有源器件结构 有源器件，如二极管和晶体管与无源元件在电子控制方式上
有很大差别，可以用于控制电流方向，放大小的信号，构成复杂的 电路。这些器件与电源相连时需要确定电极（+或-）。工作时利用 了电子和空穴的流动。 1.二极管的结构
4. CMOS结构
图1-15 CMOS反相器电路的电路图、顶视图和剖面图
19
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-16 生长型晶体管生长示意图
20
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-17 合金结结型晶体管示意图
21
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-18 台面型结型晶体管示意图
22
1.3 半导体器件工艺的发展历史
50
1.8 芯片制造的生产环境
1.8.1 净化间沾污类型 净化间沾污类型可以分为5大类：颗粒、金属杂质、有机物沾污、
自然氧化层和静电释放。 1.颗粒
图1-30 颗粒引起的缺陷
51
1.8 芯片制造的生产环境
2.金属杂质 3.有机物沾污 4.自然氧化层 5.静电释放 1.8.2 污染源与控制
应严格控制硅片加工生产厂房里的各种沾污，以减小对芯片的 危害。作为硅片生产厂房的净化间其主要污染源有这几种：空气、 人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设备。 1.空气
30
1.4 集成电路制造阶段
表1-2 1μm以下产业的技术节点列表
(2)提高芯片的可靠性 芯片的可靠性主要指芯片寿命。 (3)降低芯片的成本 半导体芯片的价格一直持续下降。
13
1.2 基本半导体元器件结构
图1-10 MOS场效应晶体管电容结构
14
1.2 基本半导体元器件结构
1.2.2 有源器件结构 有源器件，如二极管和晶体管与无源元件在电子控制方式上
有很大差别，可以用于控制电流方向，放大小的信号，构成复杂的 电路。这些器件与电源相连时需要确定电极（+或-）。工作时利用 了电子和空穴的流动。 1.二极管的结构
4. CMOS结构
图1-15 CMOS反相器电路的电路图、顶视图和剖面图
19
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-16 生长型晶体管生长示意图
20
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-17 合金结结型晶体管示意图
21
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-18 台面型结型晶体管示意图
22
1.3 半导体器件工艺的发展历史
50
1.8 芯片制造的生产环境
1.8.1 净化间沾污类型 净化间沾污类型可以分为5大类：颗粒、金属杂质、有机物沾污、
自然氧化层和静电释放。 1.颗粒
图1-30 颗粒引起的缺陷
51
1.8 芯片制造的生产环境
2.金属杂质 3.有机物沾污 4.自然氧化层 5.静电释放 1.8.2 污染源与控制
应严格控制硅片加工生产厂房里的各种沾污，以减小对芯片的 危害。作为硅片生产厂房的净化间其主要污染源有这几种：空气、 人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设备。 1.空气
30
1.4 集成电路制造阶段
表1-2 1μm以下产业的技术节点列表
(2)提高芯片的可靠性 芯片的可靠性主要指芯片寿命。 (3)降低芯片的成本 半导体芯片的价格一直持续下降。