半导体集成电路
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半导体集成电路
天津大学ASIC设计中心 高静
我的联系方式： Email: gaojing@tju.edu.cn 综合实验楼808
集成电路（integrated circuit ,IC）
什么是集成电路？
集成电路是相对于分立器件电路而言的，集成电 路采用半导体制作工艺，将某一电路所需的若干 元器件（晶体管；二极管；电阻和电容）均制作 于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的 完整电路。
未来：超越还是拯救摩尔定律？
Intel的22nm和意法半导体、台积电的28nm 工艺在2011量产，而三星、台联电（UMC） 和Global Foundries的28nm在2012年实现量 产。 摩尔定律一直是指挥半导体发展，半导体 的发展始终徘徊在这条定律左右。不过， 摩尔定律始终是个有着物理极限的构想， 而随着技术不断前行，这个极限已经在触 手可及的不远处。
集成电路的分类
按制作工艺分类 ： 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电 路和薄膜集成电路。 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集 成电路。
集成电路的分类
按集成度高低分类 ： 集成电路按集成度高低的不同可分为小规 模集成电路、中规模集成电路、大规模集 成电路和超大规模集成电路。
对模拟集成电路， < 50 (元器件)小规模集成电路， 50 ～ 100中规模集成电路 >100个大规模集成电路； 对数字集成电路 1～100小规模集成电路， 100～1000中规模集成电路 1000～100,000大规模集成电路 10,000以上超大规模集成电路。
集成电路的分类
Biblioteka Baidu
按功能结构分类 ： 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟 集成电路和数字集成电路两大类。 模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信 号（指幅度随时间连续变化的信号。例如半导体 收音机的音频信号、录放机的磁带信号等）； 数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信 号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）。
集成电路的分类
按导电类型不同分类 ： 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单 极型集成电路。 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代 表集成电路有TTL、ECL、STTL，I2L等类型。 单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低， 易于制成大规模集成电路，代表集成电路有 CMOS、NMOS、PMOS等类型。
集成电路设计需要的知识范围
1) 系统知识：计算机/ 通信/ 信息/ 控制等学科 2) 电路知识：模拟/ 数字/ 模数混合/ RFIC / MMIC 3) 工具知识：相应的软件工具 4) 工艺知识：元器件特性和模型/ 工艺原理和 过程
课程内容介绍
本课程主要介绍三部分内容： 集成电路基本知识：双极、MOS、 BiCOMS集成电路工艺、集成电路中元器 件的形成、特性及寄生效应。 双极集成电路单元 MOS（CMOS）集成电路单元和模块、组 合和时序电路
集成电路的特点 vs 分立元件电路
1. 单个分立元器件的精度不高，受温度影响也较大， 但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性 能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别 小，因而同一类元器件温度特性也基本一致 2.就单个元器件而言，性能参数的绝对误差可能比 较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确； 3.集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、 电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十Ω～ 几十 kΩ范围内，电容一般为几十pF。电感很难 集成
认识晶圆和集成电路
裸片
键合（连接到封装的引线）
封装，成品
应用
摩尔定律(Moore’s Law)
Moore's law : the number of components per IC doubles every 18 months. Moore's law hold to this day.
Intel的CPU验证摩尔定律
The first microprocess (1971 Intel 4004)
Intel 486处理器芯片内集成了125万个晶体管
Pentium 4 (Intel 2000)
集成了4200万个晶体管，主 频为1.3GHz～2GHz transistors，0.18μm工
尽管Intel已经宣称采用FINFET技术制造22nm芯片，但是 实际效果如何还是个未知数，而3D工艺能否挽救即将接 近物理极限的摩尔定律尤未可知。 3D工艺下的全新半导体制造是否还是属于摩尔定律的范 畴已经不再重要，因为无论是22nm还是14nm，都距离理 论上的摩尔定律物理极限相去甚远，让摩尔定律失灵的 最大可能原因不是技术上的物理极限无法超越，而是经 济层面的摩尔定律已经失衡，也就是说，小尺寸的半导 体生产工艺实现起来不是太大的问题，而小尺寸芯片的 设计加制造的总成本，以现有单个芯片的销售情况而言， 很难通过直接的市场销售收回投入。
半导体制造未来的技术发展沿两大主线展开
第一条主线是“超越摩尔”（More than Moore），
在一个系统封装内整合不同类型的技术，包括3D技术。这条主线还 包括克服技术挑战，例如，在系统封装内的裸片之间的连接、测试 和热管理。未来的制程研发还包括我们称之为“增值衍生技术”， 例如，模拟器件、影像芯片、嵌入式非易失性存储器、智能功率、 量子技术以及MEMS技术。
集成电路的分类
按用途分类
集成电路按用途可分为 电视机用集成电路 电脑（微机）用集成电路 通信用集成电路 手机用集成电路 多媒体用集成电路 汽车用 医疗用……..
集成电路技术发展趋势
1) 特征尺寸：微米→亚微米→深亚微米，目前的主 流工艺是0.13μm， 0.11μm，90nm，45nm； 2) 电路规模：LSI→SOC； 3）晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英寸, 和12英寸； 4）集成电路的规模不断提高, intel 09年推出的处理 器已超过20亿晶体管, DRAM已达Gb规模；
参考教材
《半导体集成电路》，朱正涌编著，清华 大学出版社 《集成电路原理与设计》，甘学温等编著， 北京大学出版社 《数字集成电路设计透视， Jan M. Rabaey 著，英文影印，清华大学出版社， 《数字集成电路-电路、系统与设计》周润 德译，电子工业出版社出版
课程参考书目及要求
a)器件原理部分： 书目：《半导体物理》 《晶体管原理》 要求：熟悉晶体管单结特性及相关公式； 熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟 悉晶体管瞬态（频率）特性。
艺
代号为Dunnington的六核处理器 （2008年）
Intel官方展示的32nm GPU+CPU Clarkdale （2009年）
Intel推出的这款32nm工艺双核心处 理器，拥有4M缓存，支持HyperThreading，内置有双通道DDR3内 存控制器以及集成显示核心。 Clarkdale基于的是代号为Westmere 的微处理器架构。
b)工艺原理部分： 书目： 《半导体器件工艺原理》； 《超大规模集成电路技术基础》 《 集成电路制造技术》 要求：熟悉pn结形成的工艺原理及平面结工艺结 构；熟悉pn结形成时的工艺影响因素；熟悉常规 集成电路工艺剖面结构以及各电性区的作用，集 成电路制造带来的各种寄生。
c) 电路及集成电路构成基础知识部分： 书目：《数字电路》； 《电子线路》。 要求：熟悉各种门电路的基本线路构成； 熟悉构成各种门电路的各种基本元器件； 熟悉各种门电路的基本工作原理；熟悉各 种门电路的组合；熟悉各种二进制规则及 逻辑关系的变换。
第二条主线是“跟随摩尔定律”，我们称之为“更 摩尔”（More Moore）。在晶片上集成更小的晶体
管，降低临界尺寸。在实现 28nm后，随后就是20 nm和 14 nm。
作为摩尔定律坚定的支持者和半导体制造工艺的 领导者，Intel一直在坚持用技术研发为摩尔定律 延长寿命。 Intel在2011宣布在22nm工艺中采用全新的 FINFET 3D制造工艺，半导体制造要正式迈入3D 时代，FINFET比起之前类3D的TSV技术以及现 有的平面结构技术，在漏电控制和制程变差方面 性能更加优异，而且其晶体管密度也相对更高， 能够将摩尔定律的寿命延长至少1-2代制程。
5）集成电路的速度不断提高, CMOS工艺做出了主 时钟>2GHz的CPU ； >10Gbit/s的高速电路和 >6GHz的射频电路； 6）集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系 统SoC(System-on-Chip)成为开发主流； 7）设计能力落后于工艺制造能力； 8）电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无 生产线（Fabless）和无芯片（Chipless）集成电 路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济 提供了条件。
天津大学ASIC设计中心 高静
我的联系方式： Email: gaojing@tju.edu.cn 综合实验楼808
集成电路（integrated circuit ,IC）
什么是集成电路？
集成电路是相对于分立器件电路而言的，集成电 路采用半导体制作工艺，将某一电路所需的若干 元器件（晶体管；二极管；电阻和电容）均制作 于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的 完整电路。
未来：超越还是拯救摩尔定律？
Intel的22nm和意法半导体、台积电的28nm 工艺在2011量产，而三星、台联电（UMC） 和Global Foundries的28nm在2012年实现量 产。 摩尔定律一直是指挥半导体发展，半导体 的发展始终徘徊在这条定律左右。不过， 摩尔定律始终是个有着物理极限的构想， 而随着技术不断前行，这个极限已经在触 手可及的不远处。
集成电路的分类
按制作工艺分类 ： 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电 路和薄膜集成电路。 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集 成电路。
集成电路的分类
按集成度高低分类 ： 集成电路按集成度高低的不同可分为小规 模集成电路、中规模集成电路、大规模集 成电路和超大规模集成电路。
对模拟集成电路， < 50 (元器件)小规模集成电路， 50 ～ 100中规模集成电路 >100个大规模集成电路； 对数字集成电路 1～100小规模集成电路， 100～1000中规模集成电路 1000～100,000大规模集成电路 10,000以上超大规模集成电路。
集成电路的分类
Biblioteka Baidu
按功能结构分类 ： 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟 集成电路和数字集成电路两大类。 模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信 号（指幅度随时间连续变化的信号。例如半导体 收音机的音频信号、录放机的磁带信号等）； 数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信 号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）。
集成电路的分类
按导电类型不同分类 ： 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单 极型集成电路。 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代 表集成电路有TTL、ECL、STTL，I2L等类型。 单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低， 易于制成大规模集成电路，代表集成电路有 CMOS、NMOS、PMOS等类型。
集成电路设计需要的知识范围
1) 系统知识：计算机/ 通信/ 信息/ 控制等学科 2) 电路知识：模拟/ 数字/ 模数混合/ RFIC / MMIC 3) 工具知识：相应的软件工具 4) 工艺知识：元器件特性和模型/ 工艺原理和 过程
课程内容介绍
本课程主要介绍三部分内容： 集成电路基本知识：双极、MOS、 BiCOMS集成电路工艺、集成电路中元器 件的形成、特性及寄生效应。 双极集成电路单元 MOS（CMOS）集成电路单元和模块、组 合和时序电路
集成电路的特点 vs 分立元件电路
1. 单个分立元器件的精度不高，受温度影响也较大， 但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性 能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别 小，因而同一类元器件温度特性也基本一致 2.就单个元器件而言，性能参数的绝对误差可能比 较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确； 3.集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、 电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十Ω～ 几十 kΩ范围内，电容一般为几十pF。电感很难 集成
认识晶圆和集成电路
裸片
键合（连接到封装的引线）
封装，成品
应用
摩尔定律(Moore’s Law)
Moore's law : the number of components per IC doubles every 18 months. Moore's law hold to this day.
Intel的CPU验证摩尔定律
The first microprocess (1971 Intel 4004)
Intel 486处理器芯片内集成了125万个晶体管
Pentium 4 (Intel 2000)
集成了4200万个晶体管，主 频为1.3GHz～2GHz transistors，0.18μm工
尽管Intel已经宣称采用FINFET技术制造22nm芯片，但是 实际效果如何还是个未知数，而3D工艺能否挽救即将接 近物理极限的摩尔定律尤未可知。 3D工艺下的全新半导体制造是否还是属于摩尔定律的范 畴已经不再重要，因为无论是22nm还是14nm，都距离理 论上的摩尔定律物理极限相去甚远，让摩尔定律失灵的 最大可能原因不是技术上的物理极限无法超越，而是经 济层面的摩尔定律已经失衡，也就是说，小尺寸的半导 体生产工艺实现起来不是太大的问题，而小尺寸芯片的 设计加制造的总成本，以现有单个芯片的销售情况而言， 很难通过直接的市场销售收回投入。
半导体制造未来的技术发展沿两大主线展开
第一条主线是“超越摩尔”（More than Moore），
在一个系统封装内整合不同类型的技术，包括3D技术。这条主线还 包括克服技术挑战，例如，在系统封装内的裸片之间的连接、测试 和热管理。未来的制程研发还包括我们称之为“增值衍生技术”， 例如，模拟器件、影像芯片、嵌入式非易失性存储器、智能功率、 量子技术以及MEMS技术。
集成电路的分类
按用途分类
集成电路按用途可分为 电视机用集成电路 电脑（微机）用集成电路 通信用集成电路 手机用集成电路 多媒体用集成电路 汽车用 医疗用……..
集成电路技术发展趋势
1) 特征尺寸：微米→亚微米→深亚微米，目前的主 流工艺是0.13μm， 0.11μm，90nm，45nm； 2) 电路规模：LSI→SOC； 3）晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英寸, 和12英寸； 4）集成电路的规模不断提高, intel 09年推出的处理 器已超过20亿晶体管, DRAM已达Gb规模；
参考教材
《半导体集成电路》，朱正涌编著，清华 大学出版社 《集成电路原理与设计》，甘学温等编著， 北京大学出版社 《数字集成电路设计透视， Jan M. Rabaey 著，英文影印，清华大学出版社， 《数字集成电路-电路、系统与设计》周润 德译，电子工业出版社出版
课程参考书目及要求
a)器件原理部分： 书目：《半导体物理》 《晶体管原理》 要求：熟悉晶体管单结特性及相关公式； 熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟 悉晶体管瞬态（频率）特性。
艺
代号为Dunnington的六核处理器 （2008年）
Intel官方展示的32nm GPU+CPU Clarkdale （2009年）
Intel推出的这款32nm工艺双核心处 理器，拥有4M缓存，支持HyperThreading，内置有双通道DDR3内 存控制器以及集成显示核心。 Clarkdale基于的是代号为Westmere 的微处理器架构。
b)工艺原理部分： 书目： 《半导体器件工艺原理》； 《超大规模集成电路技术基础》 《 集成电路制造技术》 要求：熟悉pn结形成的工艺原理及平面结工艺结 构；熟悉pn结形成时的工艺影响因素；熟悉常规 集成电路工艺剖面结构以及各电性区的作用，集 成电路制造带来的各种寄生。
c) 电路及集成电路构成基础知识部分： 书目：《数字电路》； 《电子线路》。 要求：熟悉各种门电路的基本线路构成； 熟悉构成各种门电路的各种基本元器件； 熟悉各种门电路的基本工作原理；熟悉各 种门电路的组合；熟悉各种二进制规则及 逻辑关系的变换。
第二条主线是“跟随摩尔定律”，我们称之为“更 摩尔”（More Moore）。在晶片上集成更小的晶体
管，降低临界尺寸。在实现 28nm后，随后就是20 nm和 14 nm。
作为摩尔定律坚定的支持者和半导体制造工艺的 领导者，Intel一直在坚持用技术研发为摩尔定律 延长寿命。 Intel在2011宣布在22nm工艺中采用全新的 FINFET 3D制造工艺，半导体制造要正式迈入3D 时代，FINFET比起之前类3D的TSV技术以及现 有的平面结构技术，在漏电控制和制程变差方面 性能更加优异，而且其晶体管密度也相对更高， 能够将摩尔定律的寿命延长至少1-2代制程。
5）集成电路的速度不断提高, CMOS工艺做出了主 时钟>2GHz的CPU ； >10Gbit/s的高速电路和 >6GHz的射频电路； 6）集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系 统SoC(System-on-Chip)成为开发主流； 7）设计能力落后于工艺制造能力； 8）电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无 生产线（Fabless）和无芯片（Chipless）集成电 路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济 提供了条件。