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1、,第1章 绪 论,1.1 集成电路的发展历史 1.2 专用集成电路的发展历史 1.3 实践的重要性 1.4 本书的特点,1.1 集成电路的发展历史 1.1.1 重大的技术突破 1.从真空到固体 20世纪初(1905年)世界上第一个真空电子管的发明,标志着人类社会进入了电子化时代,电子技术实现了第一次重大技术突破。这是为控制电子在真空中的运动规律和特性而产生的技术成果,从此产生了无线电通信、雷达、导航、广播、电视和各种真空管电子仪器及系统。经过第二次世界大战后,人们发现真空管还存在许多问题,如仪器设备的体积大,重量大,耗电量大,可靠性和寿命受限制等。因此,研究新型电子管的迫切需求被提出来了。正是
2、在这种情况下,1946年1月,基于多年利用量子力学对固体性质和晶体探测器的研究以及对纯净晶体生长和掺杂技术的掌握,Bell实验室正式成立了固体物理研究小组和冶金研究小组,其中固体物理小组由肖克莱(W.Schokley)领导,成员包括理论物理学家巴丁(J.Bardeen)和实验物理学家布拉顿(W.H.Bratain)等人。,该研究小组的主要工作是组织固体物理研究项目,“寻找物理和化学方法控制构成固体的原子和电子的排列和行为,以产生新的有用的性质”。在系统的研究过程中,肖克莱发展了前人的工作,预言通过场效应可以实现放大功能;巴丁成功地提出了表面态理论,开辟了新的研究思路,兼之他对电子运动规律的不断
3、探索,经过无数次实验,终于在1947年12月发明了第一个点接触型晶体管。一个月后被誉为电子时代先驱的科学家肖克莱发表了晶体管的理论基础PN理论。此后,结型晶体管研制成功,晶体管进入实用阶段。晶体管的发明为微电子技术揭开了序幕,三位科学家的重大贡献使他们共同获得了1956年诺贝尔物理学奖。,2.从锗到硅 晶体管发展初期是利用锗单晶材料进行研制的。实验发现,用锗单晶制作的晶体管漏电流大,工作电压低,表面性能不稳定,且随着温度的升高其性能会下降,可靠性和寿命不佳。科学的道路是没有尽头的,科学家通过大量的实验分析,发现半导体硅比锗有更多的优点。在锗晶体管中所表现出来的缺点,利用硅单晶材料将会产生不同程
4、度的改进,即硅晶体管的性能有大的提高。特别是硅表面可以形成稳定性好、结构致密、电学性能好的二氧化硅保护层。这不仅使硅晶体管比锗晶体管更加稳定,性能更加好,而且更重要的是在技术上大大前进了一步,发明了晶体管平面工艺,为20世纪50年代末集成电路的问世奠定了可靠的基础。这是微电子技术的第二次重大技术突破。,3.从小规模到大规模 从1958年到1987年这30年间集成电路的集成度从10个元件的数量级提高到了10万个元件,是微电子技术的第三次重大技术突破。而今天,又一个20年后,集成度已进一步提高到了几亿个元件,许多公司已经做到了45纳米(线宽)的批量生产。,4.从成群电子到单个电子 美国电话电报公司
5、的贝尔实验室于1988年研制成功隧道三极管。这种新型电子器件的基本原理是在两个半导体之间形成一层很薄的绝缘体,其厚度在110nm之间,此时电子会有一定的几率穿越绝缘层,这就是量子隧道效应。由于巧妙地利用了量子隧道效应,因此器件的尺寸比目前的集成电路小100倍,而运算速度提高100010000倍,功率损耗只有传统晶体管的1/10001/10000。显然,体积小、速度快和功耗低的崭新器件,对超越集成电路的物理限制具有重要的意义,是微电子技术的第四次重大技术突破。随着研究工作的深入发展,近年已研制成功单电子晶体管,只要控制单个电子就可以完成特定的功能。,1.1.2 集成电路的分类 集成电路(Inte
6、gratedCircuit,缩写为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(如硅或GaAs等)或陶瓷等基片上,作为一个不可分割的整体来执行某一特定功能的电路组件。 根据集成电路中有源器件的结构类型和工艺技术,可以将集成电路分为三类,即双极、MOS和双极MOS混合型(即BiCMOS)集成电路。,1.双极集成电路 这种结构的集成电路是半导体集成电路中最早出现的电路形式,1958年制造出的世界上第一块集成电路就是双极集成电路。这种电路采用的有源器件是双极晶体管,这正是双极集成电路得名的原因。而双极晶体管则由于它
7、的工作机制依赖于电子和空穴两种类型的载流子而得名。在双极集成电路中,又可以根据双极晶体管类型的不同而将它细分为NPN和PNP型双极集成电路。 双极集成电路的特点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗较大、集成度相对较低。,2.金属氧化物半导体WTHZ(MOS)集成电路 这种电路中所用的晶体管为MOS晶体管,故取名为MOS集成电路。MOS晶体管是由金属氧化物半导体结构组成的场效应晶体管,它主要靠半导体表面电场感应产生的导电沟道工作。在MOS晶体管中,起主导作用的只有一种载流子(电子或空穴),因此有时为了与双极晶体管对应,也称它为单极晶体管。根据MOS晶体管类型的不同,MOS集成电路又可以分为NMOS、
8、PMOS和CMOS(互补MOS)集成电路。 与双极集成电路相比,MOS集成电路的主要优点是:输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗小(约为双极集成电路的1/101/100)、集成度高(适合于大规模集成)。因此,进入超大规模集成电路时代以后,MOS,特别是CMOS集成电路已经成为集成电路的主流。,3.Bipolar-MOS(BiCMOS)集成电路 同时包括双极和MOS晶体管的集成电路称为BiCMOS集成电路。根据前面的分析,双极集成电路具有速度高、驱动能力强等优势,MOS集成电路则具有功耗低、抗干扰能力强、集成度高等优势。BiCMOS集成电路则综合了双极和MOS器件两者的优点,但这种电路具有制作工艺复杂
9、的缺点。同时,随着CMOS集成电路中器件特征尺寸的减小,CMOS集成电路的速度越来越高,已经接近双极集成电路,因此,目前集成电路的主流技术仍然是CMOS技术。,1.1.3 集成电路的发展历史 晶体管发明以后不到5年,即1952年5月,英国皇家研究所的达默(G.W.A.Dummer)就在美国工程师协会举办的座谈会上发表的论文中第一次提出了集成电路的设想。文中说到:“可以想象,随着晶体管和半导体工业的发展,电子设备可以在一个固体块上实现,而不需要外部的连接线。这块电路将由绝缘层、导体和具有整流放大作用的半导体等材料组成。”之后,经过几年的实践和工艺技术水平的提高,1958年以德克萨斯仪器公司的科学
10、家基尔比(C.Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路,并于1959年公布了该结果。该集成电路是在锗衬底上制作的相移振荡和触发器,共有12个器件,器件之间的隔离采用的是介质隔离,即将制作器件的区域用黑蜡保护起来,之后通过选择腐蚀在每个器件周围腐蚀出沟槽,形成多个互不连通的小岛,在每个小岛上制作一个晶体管;器件之间互连线采用的是引线焊接方法。,集成电路与由分立元器件组成的电路相比较,有体积小、重量轻、功耗低、速度快、可靠性高和成本低等优点,即性能/价格比高,因而引起学术界和工业界的极大兴趣和关注。从此,集成电路技术逐步形成新兴工业技术,成为整个电子工业技术的重要组成部分。微电子技术
11、作为现代高技术的重要支柱,经历了若干发展阶段。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路(SSI),集成度为100个元器件;60年代发展了中规模集成电路(MSI),集成度为1000个元器件;70年代又发展了大规模集成电路(LSI),集成度大于1000个元器件;紧接着70年代末进一步发展了超大规模集成电路(VLSI),集成度在105个元器件以上;80年代更进一步发展了特大规模集成电路(ULSI),集成度又比VLSI提高了2个数量级,达到107个元器件以上。随着集成电路集成度的提高,版图设计的线宽不断减小。1985年,1兆位特大规模集成电路的集成度达到200万个元器件,要求线宽为1m;1992年,
12、16兆位的芯片,集成度达到3200万个元器件,线宽减到0.5m,即500nm;1995年,64兆位的集成电路的线宽已达0.3m,即300nm;1998年,256兆位集成电路的线宽为0.25m,即250nm。本世纪线宽更小,集成度更大,在计算机记忆芯片上将集成数十亿个晶体管。,表11 划分集成电路规模的标准,1.1.4 集成电路展望 IC设计开发应面向四个方面:首先是移动通信市场,包括2.5G和3G芯片等;其次是数字和平板高清电视市场以及信息家电;第三是功率电子市场;第四是信息安全系统方面的应用。新一代的电子设备采用越来越多的半导体,以便能提供更多的特色应用功能,支持消费类电子产品的数字化,并符
13、合世界各地的节能新规范。 微电子技术是目前蓬勃发展的高新技术之一。作为信息技术的基础,它推动着计算机、通信和消费电子产品的不断更新换代。在过去几十年中,以半导体为代表的电子科学技术的蓬勃发展将世界带进了信息时代,彻底改变了人类的生活方式和思维模式。,人类带着信息时代的特征跨入21世纪,在强劲的市场推动下,特大规模集成电路(ULSI)技术的发展一直遵循着“摩尔定律”,即每个芯片上集成的元件数每18个月提高一倍。硅基CMOSIC的特征线宽已达到0.13m,并向0.1m和亚0.1m推进,即所谓深亚微米和超深亚微米芯片,大量生产的晶圆片直径达到305mm。为满足高速移动通信、宽带数据传输的需求和信息家
14、电、多媒体系统智能处理的需求,高频IC和系统级芯片(SOC)技术正在迅速发展。在整个微电子集成电路技术领域,包括集成器件新结构、芯片微加工技术、集成电路设计技术、测试及封装技术等各个方面每年都有大量的创新成果出现,推动着集成电路技术和产业的迅猛发展。 特征尺寸将继续等比例缩小(scalingdown),包括新结构、新工艺、新材料的器件设计与制备技术以及光刻技术、互连技术将迅速发展;基于特征尺寸继续等比例缩小,系统芯片(SOC)将取代目前的集成电路(IC)而最终成为主流产品。,1.1.5 发展重点和关键技术 1.亚100nm可重构SOC创新开发平台与设计工具研究 当前,集成电路加工已进入亚100
15、nm阶段,与其对应的设计工具尚无成熟产品推向市场。而我国EDA工具产品虽与世界先进水平存有较大差距,但也具备了20多年的技术储备和经验积累,开发亚100nm可重构SOC创新开发平台与设计工具是实现我国集成电路产业跨越式发展的重要机遇。 主要研究内容包括:基于亚100nm工艺的集成电路设计方法学研究与设计工具开发、可重构SOC创新开发平台技术与IP测评技术研究、数模混合与射频电路设计技术研究及设计工具开发等。,2.SOC设计平台与SIP重用技术 基于平台的SOC设计技术和硅知识产权(SIP)的重用技术是SOC产品开发的核心技术,是未来世界集成电路技术的制高点。 主要研究内容包括:嵌入式CPU、D
16、SP、存储器、可编程器件及内部总线的SOC设计平台;集成电路IP的标准、接口、评测、交易及管理技术;嵌入式CPU,使其主频达1GHz,并有相应的协处理器;在信息安全、音视频处理上的1012种平台;使集成电路IP数量达100种以上等。,3.新兴及热门集成电路产品开发 主要研究内容包括:64位通用CPU以及相关产品群、3G多功能融合的移动终端芯片组开发(802.11协议)、网络通信产品开发、数字信息产品开发、平面显示器配套集成电路开发等。,4.10nm1012HzCMOS研究 研究对象是特征宽度为10nm的CMOS器件,主要研究内容有:SiliconOnInsulator(SOI)技术,双栅介质结构(DoubleGateStructure)技术,应变硅衬底(StrainedSi)技术,高介电常数(highK)栅介质技术,金属电极技术(MetalGate),超浅结形成技术(UltraShallowJunction),低介电常数(lowK)介质材料的选择、制备及集成,铜互连技术的完
