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1、超大规模集成电路设计绪论及工艺原理2课程目标n学习利用MOS器件构建数字集成电路及简单的版图知识n培养电路设计能力：根据不同设计要求（面积，速度，功耗和可靠性），进行电路分析和优化设计的能力3关于本课程n联系器件和电路知识：SOC、ULSI 、MEMS方向均需要是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off4课程教材和参考书n教材：集成电路原理与设计n参考书：数字集成电路设计透视，第二版，Rabaeyn数字集成电路电路、系统与设计等5第一章 绪论n集成电路的历
2、史n集成电路的发展规律n等比例缩小原则n未来发展和挑战6集成电路的发展n 第一个晶体管是那年发明的? A. 1945 B. 1947 C. 1951 D. 1958n 发明者当时供职与哪家公司? A. IBM B. Bell Lab C. TI D. Motorola7第一个晶体管Modern-day electronics began with the invention in 1947 of the bi-polar transistor by Bardeen et.al at Bell Laboratories 8The evolution of IC n 第一块集成电路是那年做出来的?
3、A. 1956 B. 1958 C. 1959 D. 1961 n 发明者当时供职于哪家公司?A. IBM B. Bell Labs C. TI D. Motorola 9第一块集成电路In 1958 the integrated circuit was born when Jack Kilby at Texas Instruments successfully interconnected, by hand, several transistors, resistors and capacitors on a single substrate 10晶体管发展nTransistor Barde
4、en et.al. (Bell Labs) in 1947nBipolar transistor Schockley in 1948nFirst monolithic IC Jack Kilby in 1958nFirst commercial IC logic gates Fairchild 1960nTTL 1962 into the 1990snECL 1974 into the 1980s11MOSFET 工艺nMOSFET transistor - Lilienfeld (Canada) in 1925 and Heil (England) in 1935nCMOS 1960s, 但
5、是有很多工艺加工问题nPMOS in 1960s (calculators)nNMOS in 1970s (4004, 8080) for speednCMOS in 1980s 功耗优势nBiCMOS, Gallium-Arsenide, Silicon-GermaniumnSOI, Copper-Low K, strained silicon, High-k gate oxide.12The First Integrated Circuits Bipolar logic1960sECL 3-input GateMotorola 196613 Intel 4004 Micro-Process
6、or19711000 transistors1 MHz operation：NMOS 工艺14Intel Pentium (IV) microprocessor15绪论n集成电路的历史n集成电路的发展规律n等比例缩小原则n未来发展和挑战16Moores Lawn1965年，Gordon Moore预测单个芯片上集成的晶体管的数目每18个月可以增加一倍n2300 transistors, 108 KHz clock (Intel 4004) - 1971n16 Million transistors (Ultra Sparc III)- 1998n42 Million, 2 GHz clock
7、(Intel P4) - 2001n125 Million, 3.4Ghz (Intel P4 Prescott)- 2004 Feb 02 17Moores Law plot (from his original paper)18# of Transistors per DieSource: ISSCC 2003 G. Moore “No exponential is forever, but forever can be delayed”19摩尔定律晶体管贬值nGordon Moore在1965年提出了摩尔定律，认为芯片上晶体管的数目每18个月增加1倍，这相当于每个晶体管的价格同步下降的过
8、程n假设1965年一辆豪华跑车的售价是10万美元，如果该车的价格也能按照摩尔定律发展，则目前的售价如何？$ per Transistor20绪论n集成电路的历史n集成电路的发展规律n等比例缩小原则n未来发展和挑战21MOS器件的发展：按比例缩小n半导体工艺技术的发展遵循摩尔定律：n新工艺的特征尺寸是前代工艺的0.7倍，即器件密度为前代的2倍nMOS器件的发展就是按比例缩小（scaling down）的过程22MOSFET缩小趋势缩小趋势23按比例缩小理论n为了跟上摩尔定律，器件尺寸不断缩小，短沟效应等二级效应出现，为了抑制二级效应，在器件按比例缩小过程中需要遵守一定的规则:n恒定电场原则CEn
9、恒定电压原则CVn准恒定电场原则QCE24n器件的横向尺寸和纵向尺寸缩小倍n外加电压按同样比例缩小n衬底掺杂浓度按同样比例增大n对于相邻两代工艺， 1.4 按比例缩小：按比例缩小：CE规则规则25MOS器件器件按比例缩小按比例缩小26按按CE规则缩小后的器件性能规则缩小后的器件性能1. 耗尽层厚度的变化耗尽层厚度的变化CE中通过按比例降低工作电压和提高衬底掺杂浓度，可以使得源漏pn结耗尽区宽度实现按比例缩小272. 阈值电压的变化阈值电压的变化 阈值电压不是严格的按比例缩小283. 工作电流的变化工作电流的变化按CE规则缩小的器件的导通电流按比例缩小由于沟道宽度w按比例缩小，因此器件的沟道电流
10、密度不变器件的导电因子增加倍29MOS器件缩小前后的器件缩小前后的输入和输出特性输入和输出特性n根据实际测量的结果，按比例缩小后的器件基本符合CE规则的预计30 4.延迟时间和功耗的变化延迟时间和功耗的变化n按比例缩小后，器件的特性基本按比例变化n性能：速度按比例增加n功耗：由于电流和电压按比例缩小，功耗按照平方的关系缩小31按比例CE规则对电路影响n综合考虑速度和功耗的参数PDP按3次方减小，而面积，按照平方减小n可见，CE规则变化的器件集成度按平方增加，速度线性增加，而功耗平方减小n这就是为什么人们不断追求半导体工艺的进步的主要原因32按比例变化CE 1工艺参数的按比例缩小器件尺寸（Tox
11、，L，W，Xj）1/掺杂浓度（Na，Nd）电源电压（Vdd）1/器件参数的变化电场1载流子速度1耗尽区宽度1/电容1/漂移电流1/沟道电阻1电路参数的变化电路的延迟(TCV/I)1/ 好器件的功耗(PVI)1/2 很好功耗延迟乘积PDP(=PT)1/3 非常好33按比例缩小理论n恒定电场原则CEn恒定电压原则CVn准恒定电场原则QCE34Silicons RoadmapYear1999200220052008 20112014Feature size (nm)180130100705035Chip size (mm2)170214235269308354Clock rate (GHz)*1.2
12、1.62.22.83.64.4Power supply Vdd (V)1.81.51.20.90.70.6Power (W)90130160170174183For a Cost-Performance MPU(L1 on-chip SRAM cache; 32KB in 1999 doubling every two years)35Worldwide Semiconductor RevenueSource: ISSCC 2003 G. Moore “No exponential is forever, but forever can be delayed”36绪论n集成电路的历史n集成电路
13、的发展规律n等比例缩小原则n未来发展和挑战37Gate Length Scaling微电子未来发展more moore38微电子未来发展more than moore3940微电子未来挑战：物理极限n1999 1000 electrons to change staten2010 8 electrons to change staten2020 - 1 electron to change stateSource: California Computer News, 2003 41微电子未来挑战：工艺技术n光刻线条n晶圆尺寸42微电子未来挑战：经济因素42G. MooreISSCC 03Lit
14、ho CFAB Cost$ per Transistor$ per MIPS43 经济因素：加工费用q研制成本每代产品增加1.5倍q增加工艺步骤每代成本增加1.3倍q设备费用q封装价格q能源价格集成电路原理与设计集成电路制作工艺：工艺基础45第二章 集成电路制作工艺n2.1.1 集成电路加工的基本操作n2.1.2 MOS结构和分类n2.2.1 N阱CMOS工艺n2.2.2 深亚微米CMOS工艺n2.3.1 CMOS IC中的寄生效应n2.3.2 SOI工艺n2.3.3 CMOS版图设计规则462.1.1 集成电路加工的基本操作n1、形成薄膜（二氧化硅、多晶硅、金属等薄层）n2、形成图形（器件和
15、互连线）n3、掺 杂（调整器件特性）47半导体芯片制作过程48硅片（wafer）的制作49掩模版（mask,reticle）的制作50外延衬底的制作511、形成图形n半导体加工过程：将设计者提供的集成电路版图图形复制到硅片上n光刻与刻蚀：半导体加工水平决定于光刻和刻蚀所形成的线条宽度52光刻（photolithography）53曝光（exposure）54刻蚀（etch）55光刻的基本原理56正胶和负胶的差别572、薄膜形成：淀积582、薄膜形成：氧化593、掺杂：扩散和注入60从器件到电路：通孔61从器件到电路：互连线62从器件到电路：多层互连63从器件到电路：多层互连64从硅片到芯片：加工后端65从硅片到芯片：加工后端66从硅片到芯片：加工后端
