微电子复习资料

集成电路的分类：1.按器件结构类型分类，共有三种类型，它们分别为双极集成电路，MOS集成电路和双极－MOS混合型集成电路。（1）双极集成电路:这种电路采用的有源器件是双极晶体管，在双极集成电路中，又可以根据双极晶体管的类型的不同，而将它们细分为NPN型和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（MOS）集成电路：这种电路中所用的晶体管为MOS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，PMOS和CMOS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，集成度高（适合大规模集成），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）双极－MOS集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为双极－MOS集成电路，双极－MOS集成电路综合了双极和MOS器件两者的优点，但这种电路具有制作工艺复杂的缺点。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。2.按集成电路规模分类：每块集成电路芯片中包含的元器件数目叫做集成度，根据集成电路规模的大小，通常将集成电路分为小规模集成电路,中规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路，特大规模集成电路和巨大规模集成电路.3.按结构形式的分类：按照集成电路的结构形式可以将它分为半导体单片集成电路及混合集成电路。(1)单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。(2)混合集成电路：是指将多个半导体集成电路芯片或半导体集成电路芯片与各种分立元器件通过一定的工艺进行二次集成，构成一个完整的，更复杂的功能器件，该功能器件最后被封装在一个管壳中，作为一个整体使用，在混合集成电路中，主要由片式无源元件，半导体芯片，带有互连金属化层的绝缘基板以及封装管壳组成。根据制作混合集成电路时所采用的工艺不同，还可以将它们分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。4.按电路功能分类：可以分成数字集成电路，模拟集成电路和数模混合集成电路等三类。（1）数字集成电路：它是指处理数字信号的集成电路。（2）模拟集成电路：它是指处理模拟信号的集成电路。（3）数模混合集成电路：它是指即包含数字电路又包含模拟电路的新型电路。第二章半导体物理和器件物理基础1.半导体的特点：（1）纯净半导体材料，电导率随温度的上升而指数增加。（2）半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂的情况下，温度对电导率的影响较弱。（3）在半导体中可以实现非均匀掺杂。（4）光的辐照，高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。第三章大规模集成电路基础1.集成电路的集成度，集成电路的功耗延迟积，特种尺寸是描述集成电路性能的几个主要方面。集成电路的功耗延迟积又称为集成电路的优值，就是把电路的延迟时间与功耗相乘，该参数是衡量集成电路性能的重要参数，功耗延迟积越小，则集成电路的速度越快或功耗越低，性能便越好。特征尺寸通常是指集成电路中半导体器件的最小尺度，如MOSFET的最小沟道长度或双极晶体管中的最小基区宽度，这是衡量集成电路加工和设计水平的重要参数，特征尺寸越小，加工精度越高，可能达到的集成度也越大，性能越好。2．双极集成电路基础：（1）常用的晶体管根据使用目的的不同可将双极晶体管分成放大晶体管和开关晶体管两大类，它们主要差别是放大管的工作电压较高，通常这两种晶体管均制作在高电阻率的硅外延层上。（2）在数字集成电路中，完成各种逻辑运算和变换的电路称为逻辑电路，组成逻辑电路的基本单元是门电路和触发器电路，触发器电路基本上也由各种门电路组成，门电路是数字集成电路的最基本单元。3．MOS集成电路基础由于CMOS集成电路具有功耗低、速度快、噪声容限大、可适应较宽的环境温度和电源电压、易集成、可等比例缩小等一系列优点，使得CMOS集成电路成为整个半导体集成电路的主流技术。（1）CMOS开关（2）反相器（3）开关串／并联的逻辑特性4.传输门逻辑当MOS开关导通时，信号可直接从一端传送至另一端，所以又把MOS开关称为传输门，通常把传输门的输出信号对控制信号间的逻辑关系称为传输门逻辑。5.存储器存储器是各种数字计算机的主要部件，也是许多其他电子系统中必不可少的，存储器功能可分为以下几类：（1）只读存储器（ROM）（2）随机存取存储器(RAM)（3）可编程只读存储器（PROM）通常一个完整的存储器主要包括以下几个部分：（1）存储单元（2）地址译码器（3）读写电路（4）时序控制电路第四章集成电路制造工艺要制造一块集成电路，需要经过集成电路设计、掩模板制造、原始材料制造、芯片加工、封装、测试等工序，本章的重点是集成电路芯片加工工艺。1.光刻与刻蚀技术光刻是集成电路中十分重要的一种加工工艺技术，它是通过曝光和选择腐蚀等工序将掩模板上设计好的图形转移到硅片上的过程。（1）光刻所需要的三要素为：光刻板、掩模板和光刻机。（2）常见的光刻方法：根据曝光方法的不同，可以分为接触式光刻、接近式光刻和投影式光刻三类。（3）刻蚀技术光刻得到的光刻胶图形并不是器件的最终组成部分，光刻得到的只是由光刻胶组成的临时图形，为了得到集成电路真正需要的图形，还必须将这些光刻胶图形转换成硅片上的图形。完成这种图形转换的方法之一就是将未被光刻胶掩蔽的部分有选择性的通过腐蚀法去掉。常用的腐蚀方法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，干法腐蚀则主要是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。2.氧化在现代集成电路工艺中，氧化是必不可少的工艺技术，在硅表面上生长的氧化硅层不但能紧密依附在硅衬底上，而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性，因此氧化硅层在集成电路中起着极其重要的作用。制备SIO2的的方法很多，主要的有热氧化法、化学气相沉积法、热分解淀积法、溅射法、等离子氧化法等。3.扩散与离子注入集成电路工艺中经常采用的掺杂技术主要有扩散和离子注入（1）扩散工艺通常包括两个步骤，即在恒定表面浓度条件下的预淀积和在杂质总量不变情况下的再分布。目前比较常见的扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散等。（2）离子注入离子注入是将具有很高能量的带电杂质离子注入半导体衬底中的掺杂技术。它的掺杂深度由注入杂质离子的能量、杂质离子的质量决定。掺杂浓度是注入杂质离子的数目决定。4.退火退火也叫热处理，集成电路工艺中所说的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。退火的方法有很多，最早采用也是最方便的是炉退火，近年来发展了多种快速退火工艺，比较常用的有脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源等。5.化学汽相淀积（CVD）化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。CVD膜的结构可以使单晶、多晶或非晶态。气相淀积（CVD）常用的主要有三种：常压化学汽相淀积（APCVD）、低压化学汽相淀积(LPCVD)和等离子增强化学汽相淀积（PECVD）.6.接触与互联接触与互联的基本工艺步骤为：（1）为了减小接触电阻，在需要进行互联的区域首先要进行高浓度掺杂（2）淀积一层绝缘介质膜（3）通过光刻、刻蚀等工艺在该介质膜上制作出接触窗口，又叫欧姆接触孔（4）利用蒸发、溅射或CVD等方法形成互连材料膜（5）利用光刻、刻蚀技术定义出互连线的图形（6）为了降低接触电阻率，在400°C~450°C的N2-H2气氛中进行热处理。7.隔离技术在集成电路中需要制作大量晶体管，如何把这些晶体管在电学上隔离开是非常重要的，目前常用的隔离技术主要包括PN结隔离、等平面氧化层隔离、沟槽隔离、介质隔离等几种方式。在VLSI工艺中，最常用的隔离工艺是等平面氧化物隔离和沟槽隔离工艺。8．封装技术（1）封装的工艺封装的第一步是划片，划片后进行键合封装。键合封装主要分为两步，第一步是把芯片固定到合适的集成电路管座上，第二步是引线焊接，又称为键合，引线焊接的主要方法有：热压焊接、热超声焊接和超声焊接。（3）封装的分类：按封装管壳的材料可分为金属封装、塑料封装和陶瓷封装。第五章集成电路设计随着集成度的不断提高，设计成本和设计周期已成为集成电路特别是超大规模集成电路产品成本和产品周期德主要部分。设计方法及各种计算机辅助设计手段在集成电路设计中起着越来越重要的作用。1.集成电路的设计特点与设计信息描述集成电路设计过程主要包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等方面，集成电路设计有以下几方面特点：（1）集成电路设计对设计正确性提出了更为严格的要求（2）在集成电路设计时，必须采用便于检测的电路结构，并需要对电路的自检功能进行考虑。（3）与分立器件的电路设计相比，布局、布线等版图设计过程是集成电路设计中所特有的。（4）集成电路作为一个高度复杂的电路系统，在功能设计、逻辑与电路设计、版图设计方面都必须采取分层分级设计和模块化设计。设计信息描述;设计信息描述主要有设计图和语言描述等方式。2.集成电路的设计流程集成电路设计主要包括三个阶段：（1）系统功能设计（2）逻辑与电路设计（3）版图设计3.集成电路的设计规则集成电路设计规则一般有两种表示方法，一种是以入为单位的设计规则，另一种是以微米为单位的设计规则。4.集成电路的设计方法集成电路设计方法主要有：全定制设计方法、定制设计方法、半定制设计方法、可编程逻辑器件以及基于这些方法的兼容设计方法等。（1）全定制设计方法是指系统功能设计、逻辑和电路设计完成以后，在优化每个器件的电路参数和器件参数的情况下，通过人机交互图形系统，人工设计版图中的各个器件和连线，以获得最佳性能和最小芯片尺寸。全定制设计方法一般错误率较高，一定要有完善的CAD工具进行设计检查和验证。（2）门陈列设计方法（GA）方法门陈列设计方法是一种半定制技术，它是在一个芯片上把形状和尺寸相同的单元拍成陈列形式，每个单元内部包含若干个器件，单元之间留有布线通道，通道宽度和位置固定，并预先完成接触孔和连线以外的所有加工步骤，形成母中，然后根据不同的应用，设计出不同的接触孔版和金属连线版，在单元内部连线以实现某种门的功能，再通过单元间连线实现电路功能。门陈列设计具有设计周期短、设计成本低等特点，缺点是设计灵活性较低，门利用率也较低，而且单元中某些器件空置。（3）标准单元设计方法属于定制设计方法，它需要设计出制备工艺所需要的所有掩模板。标准单元设计方法是指从标准单元库中调出事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再接功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路。与门陈列方法相比，标准单元方法可以具有较高的芯片利用率和连线布通率，在设计中可以尽可能的进行优化，在设计时有更强的选择性，但这种技术依赖于标准单元库的发展，建立标准单元库需要较高的成本和较长的周期，而且当工艺更新时，需要花费较大的代价进行修改和更新，也难以实现高精度模拟电路。（4）积木块设计方法（BBL方法）定制式设计在标准单元方法基础上，提出了积木块方法，在这种技术中可以采用任意形状和单元，而且没有布线通道概念，单元可以放在芯片的任意位置，因此可以得到更高的布图密度。（5）可编程逻辑器件设计方法（PLD）是指用户通过生产商提的通用器件自行进行现场编程和制造，或者通过对于一或矩阵进行掩膜编程，得到所需的专用集成电路。（PLD）设计方法的设计效率很高，设计周期很短，而且一些可编程器件具有多次擦除功能，降低了系统成本，适用于新产品的开发。（6）兼容设计方法兼容设计方法是综合各种设计方法各自的优势，在同一芯片中把它们优化组合起来，实现整体性能的优化。第六章：集成电路设计的CAD系统CAD技术介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节。本章主要讲述系统描述以及模拟、综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析、