第1章绪论
现代社会是高度电子化、信息化和智能化的社会，其发展离不开融合了计算机、电子和网络通信等先进技术的电路系统。构成电路系统的基本元素为电阻、电容、晶体管等元器件。 早期的电路系统是将分立的元器件按照电路要求，在印刷电路板（printer circuit broad，PCB）上通过导线连接实现的。 由于分立元件的尺寸限制，在一块PCB上可容纳的元器件数量有限。因此，由分立元器件在PCB上构成的电路系统的规模受到限制。 同时，还存在体积大、可靠性低及功耗高等问题。
半导体集成电路是通过一系列特定的半导体加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路构成规则，互连“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。与印刷电路板上电路系统的集成不同，在半导体集成电路中，构成电路系统的所有元器件是采用相同工艺制作在同一块半导体晶片上，并利用绝缘介质将其隔离，通过芯片上的金属布线层将它们相互连接形成的。与分立元件相比，其尺寸和布线从毫米级减小为微米、纳米级，所以工作速度变快，功耗降低。由于所有布线是在超净环境中通过淀积和光刻工艺实现与晶体管的连接，与PCB板级系统中元件连接靠焊接相比，连接点的可靠性大幅提升。加之芯片表面使用氮化硅等绝缘介质进行保护，能够有效防止外部水分等的浸入，即使器件非常微细，它的性能也几乎不会发生变化。 基于以上特点，使得由集成电路构成的电路系统在规模、速度、可靠性和功耗等性能上具有其他方式不可比拟的优点，已经广泛应用于日常生活及工业、国防领域。集成电路作为支撑经济社会运转和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，已经成为我国建设现代化产业体系的核心枢纽和战略支柱。
1.1半导体集成电路的概念
任何一种物质，都有对应的外貌特征和性能特点。因此，学习半导体集成电路，必须掌握它的相关基本概念。
1.1.1半导体集成电路的基本概念
(１)形状尺寸。半导体集成电路（semiconductor integrated circuit，简称IC）也被称作芯片（chip），其外形一般为正方形或长方形，单芯片尺寸从几个平方毫米到几百个平方毫米，常被称为芯片尺寸 (diesize)。图1.1所示为典型的半导体集成电路外形图。如此小的芯片如果一片一片加工，效率将会非常低下。因此，在实际进行芯片加工时是在一个大的硅片上通过图形复制重复加工大量相同的单元，然后通过划片再进行分割。硅片尺寸在一定程度上代表了半导体集成电路的加工水平，硅片的直径是度量生产线加工能力的基准之一。例如，8英寸(１英寸＝25.4mm，8英寸≈200mm)生产线、12英寸生产线就表示生产线可以加工直径*大为8英寸(200mm)或是12英寸(300mm)的硅片。能够加工的硅片直径越大，对设备的要求就越高，对应的工艺水平也越高。目前，12英寸工艺已经成为主流。图1.2所示为硅片尺寸与芯片尺寸的概念图。
图1.1半导体集成电路外形图
图1.2硅片尺寸与芯片尺寸的概念图
（2）集成度。集成度是表述半导体集成电路性能的另一个重要参数。集成度表示在1个硅片上电路所包含的器件的数量，通常用等效逻辑门数或是晶体管数来度量。1个等效逻辑门为2输入的与非门（由4个晶体管构成）。
（3）特征尺寸。特征尺寸是集成电路中器件*细线条的宽度，对MOS器件而言，常指栅极所决定的沟道几何长度，是工艺线中能加工的*小尺寸。它反映了集成电路版图图形的精细程度。特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻*小特征尺寸与曝光所用波长）。
1.1.2半导体集成电路的分类
从不同的角度出发，半导体集成电路有不同的分类方法，通常从以下几方面对半导体集成电路进行分类。
1.按电路处理信号的方式分类
如图1.3所示，按电路处理信号的方式，可将半导体集成电路分为以下几种。
（1）数字集成电路。在数字集成电路中，信号的运算是以布尔代数为基础的，所有的输入输出信号均为二进制的量，通常低电平表示二进制数的“0”，高电平表示二进制数的“1”。在数字集成电路中，电平量的具体数值没有实际的意义，只代表高电平、低电平两种状态。
（2）模拟集成电路。模拟集成电路的信号是以10进制的模拟运算为基础，输入输出量为连续变化的模拟量。信号的电平值，具有实际的含义，代表电路中信号的具体数值。
（3）数模混合集成电路。数模混合电路是指在一个系统中两种信号处理方式混合存在。
图1.3按电路处理信号的方式分类
2.按器件类型或实现工艺分类
图1.4给出了按器件类型或实现工艺分类的情况。如图1.4所示，按构成半导体集成电路的有源器件类型的不同，可将半导体集成电路分为以下几种。
图1.4按器件类型或实现工艺分类
（1）双极型（bipolar）集成电路。构成集成电路的基本有源器件是npn或pnp结构的晶体管，这类晶体管中参与导电的载流子既有电子又有空穴，所以又称为双极型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)。双极型集成电路是电流驱动型的电路，具有较大的电流驱动能力。早期的TTL、ECL和较大功率模拟集成电路都是双极型集成电路。
（2）MOS型集成电路。构成集成电路的基本有源器件是MOS晶体管。nMOS晶体管参与导电的载流子是电子，pMOS晶体管参与导电的载流子是空穴，因此也称MOS晶体管为单极型晶体管。MOS晶体管是电压驱动型晶体管，具有较高的输入阻抗。由nMOS晶体管和pMOS晶体管构成的互补型CMOS集成电路有集成度高、功耗低的特点，是当前集成电路的主流技术。
（3）Bi-CMOS集成电路。构成集成电路的有源器件既有MOS晶体管，又有双极型晶体管，可以兼顾CMOS集成电路的低功耗、高集成度及双极型集成电路的大驱动能力，某些有特殊要求的集成电路会采用这种工艺实现。
3.按电路规模分类
按1个芯片上集成的晶体管的数目，可将半导体集成电路分为以下几种。
（1）小规模集成电路 (small scale integrated circuit，SSI)。
（2）中规模集成电路 (medium scale integrated circuit，MSI)。
（3）大规模集成电路 (large scale integrated circuit，LSI)。
（4）超大规模集成电路 (very large scale integrated circuit，VLSI)。
（5）特大规模集成电路 (ultra large scale integrated circuit，ULSI)。
（6）巨大规模集成电路 (gigantic scale integrated circuit，GSI）。
表1.1给出按电路规模对半导体集成电路进行分类时的划分标准。
表1.1集成电路规模划分标准
从表１.１中可以看出，对于数字集成电路和模拟集成电路，划分规模的标准是不同的。数字集成电路的集成度在2000年已经达到单芯片上包含1０亿逻辑门， *新的工艺单芯片上集成电路逻辑门数已达几百亿。而模拟集成电路中的晶体管数目达到300以上就算是超大规模了。
4.按生产目的分类
按电路的生产目的及用途，可将半导体集成电路分为以下几种。
(1)通用集成电路。通用集成电路是遵循一定的标准和规范设计的，具有通用功能，可以在不同场合应用，如CPU、存储器、DSP等。通用集成电路对电路的性能和芯片利用率要求很高，而对设计成本和周期的要求可以放宽。
(2)专用集成电路。专用集成电路是针对某些用户的特别用途和要求而专门设计制造的芯片，具有特定电路功能，如图像压缩芯片、卫星通信芯片等。 其特点与通用芯片正好相反，对设计成本和设计周期要求较高。
5.按设计方法分类
按设计方法，可将半导体集成电路分为以下几种。
(1)全定制集成电路。全定制集成电路是指按照芯片的性能要求，从晶体管极开始设计的集成电路，电路中的所有器件和互连线的版图都是人工按照*优方案设计的，要尽可能达到高密度、高速度、小面积和低功耗的要求。因此，设计成本和周期长，适用于芯片用量很大的通用集成电路和有特殊要求的集成电路设计。
(2)半定制集成电路。半定制集成电路中的全部逻辑单元是预先设计好的，可以从单元库中调用所需单元的掩膜图形（标准单元方法和门阵列），可使用相应的EDA软件，自动布局布线。
(3)可编程集成电路。可编程集成电路中的全部逻辑单元都已预先制成，不需要任何掩膜，利用开发工具对器件进行编程，以实现特定的逻辑功能，分为可编程逻辑器件和现场可编程逻辑器件。
1.2半导体集成电路的发展过程
半导体集成电路是20世纪*伟大的发明之一。1958年12月，德州仪器的杰克 基尔比(Jack Kilby)采用刻蚀的方法在一块锗晶片上分别形成了台面型pnp晶体管、电容器和电阻器区域，并用细的金线将这些区域连接起来，制作了世界上**块集成电路，如图1.5所示。这个电路看起来非常粗糙，在同一晶片上制作的几个元件之间是用零乱的金属线连接在一起的。但是，“元器件在同一半导体材料上的集成”这一突破性概念的*次实现，为集成电路的迅猛发展拉开了序幕。杰克 基尔比也因此获得了诺贝尔物理学奖。随着平面工艺和蒸镀铝金属线工艺的发明，飞兆半导体公司的创立者之一杰伊 拉斯特(Jay Last)在1960年成功研发了如图1.6所示的世界上**块商用集成电路，它仅由4个晶体管和5个电阻组成。
图1.5世界上**块集成电路
图1.6世界上**块商用集成电路
此后，半导体集成电路开始进入快速成长期，1967年出现了大规模集成电路，集成度迅速提高；1971年，将存储器和逻辑电路集成于一体的微处理器诞生；1977年超大规模集成电路面世，一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年，16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入极大规模集成电路（ULSI）阶段；1997年，奔腾Ⅱ问世，采用0.25μm 工艺，工作频率300MHz，集成的晶体管数目为550万;2009年，英特尔公司推出酷睿i系列，采用32nm 工艺，*高工作频率可达3.3GHz，集成的晶体管数目达到7.3亿个;2011年，采用22nm 工艺的FPGA 已经量产？目前，3nm 工艺芯片已经量产，单芯片可集成的晶体管数目已达千亿？
1.3 半导体集成电路的发展规律
1965年，英特尔公司主要创始人戈登 摩尔(GordonMoore)根据1959~1964年已经开发的5组产品数据，将芯片的集成度和单个器件的*低成本整理做成图表？戈登 摩尔发现每过18~24个月，就会有一款新的芯片诞生，而且新芯片上集成的晶体管的数目通常是前一款的两倍？因此，摩尔大胆预测:随着芯片上电路复杂度的提高，晶体管数目必将增加，每个芯片上的元件数目每隔18个月将增加一倍，性能也将提升一倍？随后几十年，集成电路技术神奇地追随这一被称作摩尔定律的预测发展，至今为止，摩尔定律依然是指导集成电路技术发展的*终法则？
表1.2给出集成电路工艺参数及成本随时间的变化？正如表1.2中数据所示，经过60多年的发展，单片集成电路中可集成的晶体管数目已经达到300亿，单个晶体管的价格也从开始的10美元下降到1ⅹ10-8美元以下？
表1.2 集成电路工艺参数及成本随时间的变化
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