IC基礎培訓一

1、Manufacturing Process Comparison of Analog & Digital Technology WK1534Analog & Digital Technology Process CompareProcess in HLMC and ASMCChance for PDF Solution Corp.Preface- Manufacturing Process Comparison of Analog & Digital Technology123Typical Device and Process Introduction-only IC Process Com

2、pare1. Analog & Digital Circuit Analog & Digital Process (not exactly )2. Aalog & digital circuit typical device introduction3. IC Process Classification 1.Bipoar NPN transistor vs CMOS NMOS FET 2.Typical Process Device Overview1.Process Compare: Analog & DigitalSystem Level: 系統級別Collect Physical Si

3、gnal Change to Electrical SignalData DisposeData StorageData DisposeChange Electrical Signal to Physical SignalBig DataPower Supply SystemStrong Chip:Good Function (Exactly&Fast)CheapGood Reliability Many Challenges for Design & Manufacturing耳目鼻等收集信號轉換成神經元可感應的電化學信號The Head處理存儲信號處理存儲信號-人工智能人工智能肌肉，分泌系

4、統等接收成神經元信號并轉化為行動反應消化系統，能量儲備系統，血液提供能量Genius Head is like Strong Chip Strong Chipwe need PDFUn-Song HeroSoC: system on chip 有專用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。本質上就是把原來一堆分開的各種芯片集合在一塊芯片上，減少了封裝與體積。InputOutput無名英雄？！QA: how to get a high-fidelity sound, such as lions roar? 怎樣重現Lion的咆哮聲？Sound is a wave in essen

5、ce, could be defined by current/voltage change over time可以將聲音解析成電學上隨時間變化的電流/電壓TimeLoudness模擬電路模擬電路：處理模擬信號-連續(xù)的電信號(大小連續(xù)、時間連續(xù))坐標軸X,Y連續(xù)(有理數+無理數)各種運算電路保存在Tape/磁帶信號的傳輸 - - oh, my godTimeCurrent數字電路數字電路：處理數字信號-離散的電信號(大小不連續(xù)、時間不連續(xù))坐標軸X,Y是有固定間距的實數在二進制基礎上的編碼與編程Memory(DRAM, Flash)/各種存儲器信號的傳輸 - - 編碼, so easyTime

6、Voltage Accuracy & Speed精度與速度精度與速度Data storage數據存儲數據存儲Cost / 成本成本(研發(fā)研發(fā),制造制造,測試測試,使用使用)(時間時間,體積體積,節(jié)能節(jié)能,產能產能,環(huán)保環(huán)保)模數轉換電路模數轉換電路數模轉換電路數模轉換電路Analog CircuitDigital Circuit視頻可分解成按時間變化的圖像圖像可分解為X/Y坐標上的像素光強與紅綠藍的灰度放大，運算(加，減，乘，除，求指，求冪，積分，微分)，邏輯運算(布爾代數: 與非或) 等等QA: 信號的處理/運算方式QA: 模擬電路擅長的領域QA: 數字電路的運算方式，擅長的領域數據：幅度大

7、(large range)而難以量化時，需要快速反應時可驅動大電流，高電壓市場被數字電路擠壓，但永遠不會消失。未來方向: 數字電路與模擬電路相輔相成,相互融合從模擬電路發(fā)展而來數據：二進制與計算機運算存儲技術對接功耗低，集成度高，抗干擾(電信號就是高和低的區(qū)別)基于CMOS的設計更簡單 數字化/物理量的量化與編碼在數據處理/存儲/傳輸上 數字電路更有優(yōu)勢。我們的現實世界是模擬世界，一切要從模擬中來，一切要回到模擬中去。模數電路數模電路Single Device: Resistor /電阻器電阻器lhwrwhlRrr: Resistivity1.摻雜硅/多晶硅形成，電阻大小由長度,線寬,高度以及

8、摻雜物濃度決定。2.金屬形成，CU/APL形成，即金屬互連3.Contact電阻(歐姆接觸,與功函數有關,金屬vs濃摻雜半導體接觸，Al,Ni/Pt,Ti/TiN,W插塞(臺階覆蓋好). 功函數：電子從固體內部移到此物體表面所需的最小能量。難熔金屬的合金可以降低歐姆電阻并保證高溫穩(wěn)定性。合金會消耗硅影響器件。Tip:熱敏/濕敏/光敏/壓敏/力敏/磁敏/氣敏等特殊電阻大多利用半導體材料制作,但無法集成化Single Device: Capacitor /電容器電容器硅/金屬硅/金屬絕緣層/ONO1.Lateral:平行的極板, MOMa. stack絕緣層摻雜硅層b. Deep Trench硅2

9、.Vertical:垂直的極板,節(jié)省面積絕緣層(聚乙烯)硅(聚乙烯)硅c. MIM硅/金屬硅/金屬絕緣層電感：小眾，射頻電路必備元件。一般在平面上做出nest形狀/螺旋狀Single Device: Diode /二極管二極管 由一個由一個PN結構成結構成 TVS -Transient Voltage Suppressor：瞬態(tài)抑制二極管用于保護電路，防止大電流擊穿工作電路。原理:二極管正向導通，反向低電壓截止，反向高電壓擊穿的特性。 SKY/SBD -Schottky Barrier Diode：肖特基二極管/整流特性好,嵌位用途:整流二極管，續(xù)流二極管、保護二極管原理:金屬vs輕摻雜半導體

10、形成, 反向恢復快,正向導通電壓低(0.3-0.5V) Photo Diode：光電管(光電二極管)/光敏管/光電池(太陽能光伏產業(yè)/硅光，硒光)用于將光信號轉換成電信號原理: 光伏效應 - 二極管反向時，特定波長光照下，光生載流子(電子接收光能掙脫共價鍵束縛成為自由電子), 反向電流增大 LED(Light Emitting Diode): 電子和空穴復合時輻射出光 LED生產線(藍寶石) 光電管+LED- CIS(CMOS Image Sensor)_使用現有使用現有CMOS產線產線 每賣一臺iphone，Sony都要賺20美金Si: 0.7VGe: 0.3VSingle Device:

11、BJT (Bi-polar Junction Transistor) 雙極結型場效應管雙極結型場效應管 /三極管三極管 由兩個由兩個PN組成組成, 共共P就是就是NPN，共，共N就是就是PNPBase基極Collector集電極Emitter發(fā)射極n-epipn+P-substrate電子流動n+n+ buried layerp+p+SiO2AlCuSiBJT是體器件。怎么理解？體器件優(yōu)勢是耐高壓耐高壓！缺點是寄生效應明顯三極管電路符號NPN剖面圖(隔離環(huán)使用P型結)NPN版圖/layoutIsolation, P型結或者FOX(SiO2)P型淺結N型淺結BJT前道工藝：先做埋層，然后EPI，

12、再做plug連接埋層，再做淺結以及接觸孔。Single Device: BJT (Bi-polar Junction Transistor) 雙極結型場效應管雙極結型場效應管 /三極管三極管 由兩個由兩個PN組成組成, 共共P就是就是NPN，共，共N就是就是PNP，以下用以下用N(NPN)管為例管為例QA: BJT是電流控制器件是電流控制器件，怎么理解？簡單的說，BJT就是通過改變控制回路(基極)電流，以改變工作回路(集電極)電流發(fā)射極產生電子穿過寬度窄/淺摻雜的基極，到達集電極。參數：f， (HFE) 電流放大倍數, BVceo, BVcbo，Ic，Ie, Ib,Vbe, BVeb, .截止

13、區(qū)：發(fā)射極反偏，集電極反偏，Vb=0，Ib=Ie=0工作區(qū)/放大區(qū): 發(fā)射極正偏，集電極反偏，Ie = Ib + Ic = Ib+ * Ib飽和區(qū)：兩個PN結都正偏, Ib增加，Ic幾乎不變控制 回路工作 回路基本基本共射放大電路:少子與多子都參與導電，所以稱為少子器件 = Ic/Ib = Ie/Ib -1Single Device: BJT (Bi-polar Junction Transistor) 雙極結型場效應管雙極結型場效應管 /三極管三極管 由兩個由兩個PN組成組成, 共共P就是就是NPN，共，共N就是就是PNP，以下用以下用N(NPN)管為例管為例NPN的輸入特性曲線NPN的輸入

14、特性曲線NPN的放大(增益)特性曲線IcHFE=Ic/Ib非理想效應*1.基區(qū)寬度調制效應2.大注入效應3.發(fā)射區(qū)禁帶變窄4.電流集邊效應5.基區(qū)非均勻摻雜6.雙極晶體管的擊穿NPN的Gummel PlotVbCurrent/lgSingle Device: BJTQA: 基本放大電路除了共射極放大電路，還有別的電路嗎？各自優(yōu)缺點？QA: 基本放大電路除了用NPN管, 是否可以用PNP以及MOS管？各自優(yōu)缺點？ QA: 實際電路的設計中要考慮到哪些問題？ 做超高精度的音頻電路，或者6500V/600A高壓大電流(直流/交流)電源開關電路？ 或者RF射頻發(fā)送/接收電路？QA: 為什么模擬電路(處

15、理模擬信號)以Bipolar器件為主？都可以做放大管！綜合而言Bipolar更好, 電流大/電阻小，高速。要考慮很多問題：成本，靜態(tài)工作點校零，防失真(各種失真, 截止，飽和，溫漂)，保護電路，電磁兼容，抗干擾防噪聲(工作基帶)，耐高壓大功率，功耗，散熱QA: 為什么Bipolar工藝做小線寬的動力比較小？因為成本！ Bipolar是體器件(寄生效應更多)，多用到功率器件(大電流,散熱)，電磁兼容(版圖設計的圖形對電路影響更大).電流驅動; 當數據波動范圍大且要求高精度時,比如高鐵的電源開關電路需處理從1000安培到數十毫安的電流 - 目前使用IGBT(VDMOS+Bipolar)共基極，共集

16、電極放大電路。共射極電路擅長放大電流。Basic Device Structure (layout) GateAAAA DimensionPoly DimensionDrain漏漏Source源源Gate 柵柵AAPolyAAP1M1CTDGSSingle Device: MOS FET金屬氧化物金屬氧化物 場效應管場效應管Metal-Oxide-Semiconductor Field Effective Transistor在對稱結構, 源漏互換后，性能不變在非對稱結構，源漏互換會使器件性能改變Single Device: MOS - CMOS normal structure NMOS C

17、ross sectionPocket 增強型MOS? 耗盡型MOS?NMOS電路/PMOS電路？為什么現在用CMOS電路？Complementary MOS 互補型MOSCMOS省電的原因_CMOS反相器工作電路永遠開路：P=U*U/RR非常大，所以功耗P很小MOS是多子器件MOS是表面器件MOS是電壓控制器件PN4. 在反相器電路設計時， 對N管與P管的最基本要求是？反相器中N管與P管電流匹配+GateSiO2源漏p-Sin+VD 0VG VT 0+ + + + + + +- - - - - - -電子流動正電荷負電荷沒有電流n+SiO2源漏p-Sin+VDVG = 0nCommon sen

18、se:開啟/閾值電壓VT/VTH: Gate Threshold Voltage.空間電荷區(qū)=內建電場=耗盡層=耗盡區(qū)=反型區(qū)=反型層Ioff指VD=Vs=0V, VG(e.g. 0.5V)Vt時測Ids1.跨導gm與導通電阻Single Device: MOS - CMOS normal structure 1.截止區(qū)：VGSVT；VDSVT；VDS=VGS-VT 4.擊穿區(qū)：VGSBVGOXMOS管的特性：在gate上的控制電壓可以決定源漏端是導通還是斷開。MOS尺寸越小越容易被擊穿Single Device: MOS - CMOS normal structure Universal c

19、urve Roll off curve (Vt Vs Lgate) Roll off curve (Vt Vs IDSAT) 不同channel length的PMOS在Ioff=100nA時，測IDS值不同channel length的PMOS在IDS=100nA時，測VT不同channel length的PMOS IDS與VTlin的線性QA. 為什么小線寬工藝越來越側重于PMOS的調節(jié)？載流子遷移率載流子遷移率，版圖設計作了怎樣的改變？IDVG curveIDVD curveNarrow width effect trendSingle Device: MOS - CMOS normal

20、 structure 不同VG條件下測Ioff與IDS輸入特性曲線輸出特性曲線狹溝道效應MOS管有哪些效應?短溝道效應體效應，溫度特性，噪聲(熱噪聲，閃爍噪聲)QA: Bipolar反應比CMOS哪個更快？電流驅動，電壓驅動Integrate Circuit IC / 集成電路QA: 什么是分立器件將多個分立器件集合在一起就是集成電路，ICQA: 目前PDF support的 IDM/ Design house/ fab做的是什么 IC ?目前我們做 GSIC : giga scale IC_集成度特別高！工藝節(jié)點/線寬特別??！QA: Fab對Process的分類？按器件密度規(guī)模：S(smal

21、l) / M(medium) / L(large) / VL(very large) / UL(ulta large) / G(giga) -SIC(-scale integrate circuit)按wafer直徑：4”,5”,6”,8”,12”(300mm), 18”(450mm).按光刻最小線寬minCD/channel length: 3um/2um/1um55nm/45nm14nm/10nm/7nm/5nm/1nmQA: 為什么數字電路現在都用CMOS電路？ 以Bipolar/NMOS為架構的數字電路為何被淘汰了？Bipolar也可以做數字電路，比如TTL, STTL, ECL等等N

22、MOS也可以。CMOS功耗最低，最易集成化，電壓驅動快。TTL非門非門NMOS反相器反相器按器件種類: CMOS, DMOS, Bipolar, Bi-CMOS, BCD, MEMSDiode對于CMOS：Memory: BIOS(EEPROM), SRAM, DRAM, Flash 處理器/logic: CPU,GPU ASIC(專用集成電路：CIS, FPGA, HV, and so on)QA: 模擬電路只用bipolar, 不用CMOS嗎？ 數字電路只用CMOS，不用Bipolar嗎？錯誤!只是因為模擬電路以bipolar為主；數字電路以CMOS為主QA: CMOS工藝只能制作CMOS

23、, 不能制作Bipolar？ Bipolar工藝只能制作Bipolar，不能制作CMOS？錯誤!只是因為CMOS工藝側重做出最好的lateral CMOS, Bipolar工藝側重于做出最好的BJT，所以犧牲了其它器件的性能。但不代表工藝不能做。比如CMOS工藝做出的BJT 在放大倍數,punch through擊穿電壓和面積上無法平衡。80年代前的NMOS工藝就傾向于只做出最好的lateral NMOS管。QA: DMOS Double-diffused MOS, HV process.高壓器件(Drain端耐高壓) DMOS包括VDMOS 和LDMOS？ BCD: bipolar+CMOS

24、+DMOS BiCMOS/BC: bipolar + CMOS Diode: 光敏管，肖特基二極管(碳化硅)，LED(藍寶石,碳化硅,砷化鎵)，TVS. MEMS: Micro-Electro-Mechanical System -麥克風, 陀螺儀,安全氣囊.對代工廠而言，更傾向于談論工藝平臺： process platform而一個工藝平臺一般只能做某一類固定的產品PassivesRFLogicMemorySiGe HBTSi TechnologySi TechnologySystem-On-A-ChipLow Power-Mixed Signalm-ControllersMerged Lo

25、gic+ DRAMBiCMOS/BCDSi Technology ClassificationsSi Technology ClassificationsSemiconductor Technology Development TrendSemiconductor Technology Development TrendCMOS信息處理數字內容系統級芯片（SoC）在摩爾定律以外更多的發(fā)展（后摩爾定律）：產品多功能化模擬/RF無源器件高壓功率器件傳感器/傳動器生物芯片130nm90nm45nm22nm在摩爾定律的方向上進一步發(fā)展“微型化基礎器件：微處理器、存儲器、邏輯電路與人和環(huán)境互動非數字內容的系統級封裝（SiP65nm32nm世界半導體產品市場世界半導體產品市場MOSFET100%50%198019902000混合物/GaAs,SiC雙極的88%8%4%In CY2011 China IC Company & Product DistributionIn CY2011 China IC Company & Product Distribution中國熱點市場與模擬工藝互相推動成長模擬工藝特點比較項目數字產品模擬產品遵循的發(fā)展規(guī)律MooreMore than moore產業(yè)標準完善不太完善認證時間較短較長產品生命周期較短較長單件產品需求量大較小線條要求越細越好要求不高EDA