精品资料（2021-2022年收藏）集成电路复习资料

1、 第一章1、什么是集成电路： 集成电路（IC）是指用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺把电路元器件以相互不可分离的状态制作在半导体或绝缘体基片上，然后封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的电路。、集成电路分类：1.按工艺分：半导体IC、膜IC（薄/厚膜IC）、混合IC2.按功能分： 数字IC：能够完成数字运算，以低电平和高电平两种状态来代表二进制数中的“0”和”1”，通过各种逻辑关系进行运算，又称为逻辑IC。 模拟IC：能对电压、电流等模拟量进行放大与转换的IC。其中输 出信号与输入信号成线性关系的电路，如直流放大器、差分放大器、低频放大器、高频放大器、线性功率放大器、运算放大器等称为线性

2、IC。输出信号与输入信号不成线性关系的电路，如对数放大器、振荡器、混频器、检波器、调制器等称为非线性IC。3.按构成IC 的有源器件结构分：双极IC、MOS IC。 双极IC：有源元件采用NPN或PNP双极晶体管，管内导电的载流子要流经P型或N型两种极性的材料。 MOS IC：有源元件采用MOS（金属氧化物半导体）晶体管。4.按集成度高低分：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）。 集成度：单块晶片上或单个封装中构成的IC的所包含的最大元件数（包括有源/无源元件）。SSI<100个元件（或10个门电路），100<MSI<1000元件（10个

3、100个门电路），LSI>1000个元件以上（100个门电路以上）。VLSI>10万个（1000门以上）、集成电路遵从的定律2、Foundry与fabless之间的的关系3、IC设计所需要的知识范围（LVS、Lagout、Schmatic）1) 系统知识 计算机 / 通信 / 信息 / 控制学科2) 电路知识 更多的知识、技术和经验3) 工具知识 任务和内容 相应的软件工具4) 工艺知识 元器件的特性和模型/工艺原理和过程 第二章4、材料的分类 分类 材料 电导率 导体铝、金、钨、铜等105 S·cm-1 半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等10-9102 S·cm-

4、1 绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等10-2210-14 S·cm-1、半导体材料的特性1）通过掺杂可明显改变半导体的电导率。2）当半导体受到外界热的刺激时，导电能力将发生显著改变。3）光照可改变半导体的电导率。4）多种半导体结构中，当注入电流时，会发射光，从而可制造发光二极管和激光二极管。、常用的最基本的IC材料半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。 硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料 2.2 硅 (Si)1.硅工艺生产的器件 双极型晶体管（BJT），结型场效应管（J-FET），P型、N型MOS双极场效应管CMOS（BiCMOS）2. 硅工艺的优点：1）原材料

5、丰富2）技术成熟3）硅基产品价格低廉3. 硅工艺达到的技术指标： DARM的速度1Gb，晶圆直径达到300mm(12英寸) 2.3 砷化镓 (GaAs)1.GaAs材料：能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率2. GaAs材料的特点： 1）GaAs中非平衡少子漂移速度非常快 2）GaAs导带极小值和价带极大值都出现在布里渊区波矢为0处，电子和空穴可以直接复合，利用这一性质可制作发光器件，如LED，LD，OEIC。 3）GaAs中价带与导带之间的禁带宽度大于Si。（EgGaAs=1.43eV， EgGaAs=1.1eV ）GaAs中价带与导带之间的禁

6、带宽度大于Si带来的好处：1）在GaAs衬底上可制作高性能的器件，如电感、微波变压器及微波毫米波传输线。2）GaAs器件及电路能工作在更高的温度。3）具有更好的抗辐射性能。3. GaAs工艺制作的器件： 三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT 2.4磷化铟 (InP)1.InP材料的特点：能工作在超高速超高频2.InP工艺制作的器件： 三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT 3. InP的应用： 广泛应用于光纤通信系统中 发出的激光波长位于0.921.65um之间，覆盖了玻璃光纤的最小色散(1.3um)和最小衰减(1.55um)的两个窗口 2.5 绝缘材料SiO2 、S

7、iON和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料 绝缘材料功能： 充当离子注入及热扩散的掩膜钝化层 电隔离 绝缘材料的要求： 低介电常数的绝缘材料减小连线间的寄生电容。高介电常数的绝缘材料主要应用在大容量的DRAM，逻辑电路及混合电路中的滤波电容、隔离电容和数模转换用的电容制造。 2.6 金属材料金属材料的功能1.形成器件本生的接触线；2.形成器件间的互联线；3.形成焊盘。 半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触 如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触，构成肖特基二极管。如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应可以抵消势垒的影响，那

8、么就形成了欧姆接触。器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物 第三章5、IC制造的工艺环节3.1 外延生长外延生长的目的：外延的目的是用同质(异质）材料形成具有不同的掺杂种类及浓度,因而具有不同性能的晶体层。液态生长(LPE: Liquid Phase Epitaxy)LPE意味着在晶体衬底上用金属性的溶液形成一个薄层。在加热过的饱和溶液里放上晶体，再把溶液降温，外延层便可形成在晶体表面。原理在于溶解度随温度变化而变化。气相外延生长气相外延生长(VPE: Vapor Phase Epitaxy) VPE是指所有在气体环境下在晶体表面进行外延生长的技术的总称。在不同的VPE技术里，卤素(H

9、alogen)传递生长法在制作各种材料的沉淀薄层中得到大量应用。 在外延过程中，石墨板被石英管周围的射频线圈加热到1500-2000度，在高温作用下，发生： SiCl4+2H2Si+4HCl­ 的反应，释放出的Si原子在基片表面形成单晶硅，典型的生长速度为0.51 mm/min.金属有机物外延生长（MOVPE: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy） MOVPE与其它VPE不同之处在于它是一种冷壁工艺，只要将衬底控制到一定温度就行了。 MOVPE便于多片和大片外延生长，可生长所有的III/V族化合物。分子束外延生长 (MBE: Molecular Beam

10、 Epitaxy) MBE在超真空中进行，基本工艺流程包含产生轰击衬底上生长区的III和V族元素的分子束等。MBE几乎可以在GaAs基片上生长无限多的外延层。这种技术可以控制GaAs，AlGaAs或InGaAs上的生长过程，还可以控制掺杂的深度和精度达纳米极。经过MBE法，衬底在垂直方向上的结构变化具有特殊的物理属性。 MBE的不足之处在于产量低。3.2 掩膜制作 掩膜制造的定义： 用光学曝光方式要在衬底（如硅等半导体晶片）上形成微细图形，一般要有图形的物，当这种图形的物被放大或缩小复印到半导体基片上后，即形成电路图形。这种图形的物称为掩膜板，简称掩膜。掩膜的基本功能： 在光线照射其上时，图形

11、区和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。理想情况下，图形区让光线完全透射过去，非图形区则对光线完全吸收。或者反之。、图案发生器方法(PG: Pattern Generator)、X射线制版 由于X射线具有较短的波长（约为数埃），它可用来制作更高分辨率的掩膜版。X-ray掩膜版的衬底材料与光学版不同，通常要求用低吸收的轻元素做成的低比重的透膜材料。Si或Si的化合物（Si3N4或高质量的人造石英）对X射线完全透明。、电子束扫描法(E-Beam Scanning)1) 涂抗蚀剂。抗蚀剂采用正电子抗蚀剂PMMA（分辨率高，但敏感度低）2) 电子束曝光。曝光可用精密扫描仪，电子束制版的一个重要参数是电

12、子束的亮度，或电子的剂量。3) 显影。用二甲苯。二甲苯是一种较柔和的有弱极性的显影剂，显像速率大约是甲基异丁烯酮MIBK（对PMMA为良溶性剂）/异丙醇IPA （对PMMA为非溶性剂）的1/8，用IPA清洗可停止显像过程。3.3 光刻 (Lithography)1、 晶圆涂光刻胶： 清洗晶圆，在200°C温度下烘干1小时。目的是防止水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。 待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。光刻胶有两种：正性(positive)与负性(negative)。正性胶显影后去除的是经曝光的区域的光刻胶，负性胶显影后去除的是未经曝光的区域的光刻胶。正性胶适合作窗口结构, 如接触孔, 焊盘等，

13、而负性胶适用于做长条形状如多晶硅和金属布线等。常用OMR83为负性光刻胶。光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄光下操作。 涂光刻胶的方法：光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的晶圆以20008000转/分钟的高速旋转，从而使光刻胶均匀地涂在晶圆表面。 晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光2、 曝光: 光源可以是可见光,紫外线, X射线和电子束。 光量，时间取决于光刻胶的型号，厚度和成像深度。曝光方式：接触式与非接触式两种方式非接触式光刻又分为：接近式光刻与非接近式光刻三、显影: 晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转，将显影液喷射到晶圆上。显影后，用清洁液喷洗。四、烘干: 将显影液和清洁液

14、全部蒸发掉。掩膜和晶圆之间实现理想接触的制约因素掩膜本身不平坦，晶圆表面有轻微凸凹，掩膜和晶圆之间有灰尘。3.4 刻蚀刻蚀(腐蚀）的作用:以此工艺手段来获得基片上具有一定分辨率的图形或器件结构，如线条、接触孔、台式晶体管、凸纹、栅等。被刻蚀的材料:抗蚀剂，半导体，绝缘体，金属等。刻蚀的两种方法：湿法和干法3.5 掺杂 3.5.1 掺杂目的、原理和过程 掺杂的目的是以形成特定导电能力的材料区域,包括N型或P型半导体层和绝缘层，晶体管的源漏区，双极管的PN结。是制作各种半导体器件和IC的基本工艺。 经过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子代替。材料的导电类型决定于杂质的化合价，可用于制作隔离层。 掺杂

15、可与外延生长同时进行，也可在其后，例如，双极性硅IC的掺杂过程主要在外延之后，而大多数GaAs及InP器件和IC的掺杂与外延同时进行。3.5.2 热扩散掺杂3.5.3 离子注入法 离子注入法定义：通过将杂质原子加速为高能离子束，再用其轰击晶片表面而使杂质注入无掩膜区域而实现的。 掺杂浓度（剂量）由注入浓度和注入时间决定，而掺杂区域的浓度决定于离子束的能量。注入法的优点：掺杂的过程可通过调整杂质剂量及能量来精确的控制，杂质分布的均匀。可进行小剂量的掺杂。可进行极小深度的掺杂。较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。可供掺杂的离子种类较多，离子注入法也可用于制作隔离岛。在这种工艺中，器件表面的导电层被

16、注入的离子（如+）破坏，形成了绝缘区。缺点：费用高昂在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复3.6 绝缘层形成平面上的绝缘层可通过腐蚀和/或离子注入法制成。垂直方向上的不同层之间的绝缘可以使用绝缘层，绝缘层可用氧化及淀积法制成。3.7 金属层形成金属层的用途：制作MESFET和HEMT器件的栅极、铝栅、MOS器件的栅极和器件的互连材料。金属层的制作方法主要有：蒸发、溅射和电镀。蒸发：通过控制基质材料的温度和蒸发室的压力，使欲淀积的材料汽化，当发生再凝结时，就形成了蒸发膜。溅射：用高能离子轰击溅射材料，撞击出分子团，这些分子团被吸附在衬底的表面形成薄膜。电镀：通常用来加工厚金属层（1um或

17、1um以上)。 金属层的制作技术 在GaAs等工艺中，人们开发出一种所谓的空气桥（Air-bridge）技术。一、空气桥技术：悬空的金属层作为互连层，以减小寄生电容。空气桥的基本工艺流程：1.在下一层材料上沉淀一层可以挥发的牺牲层。2.光刻成形，使欲形成空气桥地段的牺牲层保留。3.沉积金属层。4.金属层光刻成型，侧面暴露牺牲层。5.挥发牺牲层空气桥技术的优点：1.由于金属层是悬空的，可以减小寄生电容。2.采用多段空气桥形成螺旋电感，可大大减小衬底引起的介质损耗，提高电感的Q值。不平坦现象：在IC制造流程中，包括型扩散，型扩散，局部氧化，接触电极的形成等，这些处理过程都会导致芯片表面变得凹凸不平

18、。由于在不平坦的表面配置金属的互连线会出现局部很薄和不连续的现象，所以通常不直接在不平坦的表面配置金属互连线，因为在不平坦的表面进行精细光刻变得非常困难。金属层的不平坦的处理：在下一层金属层淀积之前对表面进行平坦化处理。方法：现在晶圆表面淀积一层较厚的Si02 来覆盖所有的表面不连续的地方。然后采用所谓的回流热处理技术、后向刻蚀或者化学机械磨光（CMP）技术将这层厚的Si02 的顶层磨平。化学机械磨光（CMP）法：是在晶圆表面使用有磨蚀作用的Si02浆体进行磨光。CMP法优点：可以使芯片上产生连续的金属互连层，并且每一新层都淀积在平整后的氧化层表面上。 第五章6、什么是硅栅自对准工艺？需要几张

19、掩膜？在硅栅工艺中，S，D，G是一次掩膜步骤形成的。先利用感光胶保护，刻出栅极，再以多晶硅为掩膜，刻出S，D区域。那时的多晶硅还是绝缘体，或非良导体。经过扩散，杂质不仅进入硅中，形成了S和D，还进入多晶硅，使它成为导电的栅极和栅极引线。硅栅工艺的优点：自对准的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度。无需重叠设计，减小了栅极尺寸，漏、源极尺寸也可以减小，即减小了晶体管尺寸，提高了速度，增加了集成度。增加了电路的可靠性。7、绝缘层的制作方法？MOS的分类。8、常见器件的英文缩写9、CMOS工艺流程一层多晶硅,一层金属, n型衬底CMOS的掩膜和典型工艺流程 第六章10、 MOS的IU特性推导非饱

20、和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为： e = 0 栅极-沟道间氧化层介电常数, e' = 4.5,0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1e 非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将在t时间内通过沟道，因此有n为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。 m为载流子迁移率： µ n = 650 cm2/(V.s) ¾ 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) ¾ 空穴迁移率(pMOS)11、 MOS管的基本结构两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源

21、极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。12、 影响VT的几大因素1.材料的功函数之差 当金属电极同Si晶片接触时，ms = m - s 对于AlSi(p)接触，ms = (-0.7) (-1.5)eV2.SiO2层中可移动的正离子 主要是Na+离子的影响,使阈值电压降低3.氧化层中固定电荷 固定正电荷QF使阈值电压降低4.界面势阱 Si与其它材料界面上，硅晶格突然终止有电子被挂起，形成挂键,导致界面势阱。13、 SPICE的器件定义语句7.3.1

22、 标题、结束和注释语句 标题语句必须出现在输入文件的第一行，可由任意的字母或字符串组成，但一般最好以电路有关的英文说明为好。例如： LOW NOISE AMPLIFIER TEST CIRCUIT 结束语句必须出现在输入文件的最后一行，用于标记文件的结束。格式为：.END。其中，.是结束语句不可省略的一部分。 注释语句可以出现在文件中标题语句和结束语句之间的任何位置，用于给出注释，便于阅读。格式为：*<注释语句>。例如：*GAIN SHOULD BE GREATER THAN 100K，*THIS IS A FEEDBACK RESISTOR 。*是注释语句的标识符。注释语句不参与

23、仿真分析。电阻R 格式：R××××××× N1 N2 VALUE<TC=TC1<,TC2>>其中，R是关键字，代表元器件类型，在后面的×××××××代表元器件名，可以是字母或数字。语句中的英文字母可大写，也可小写。 N1， N2为电阻的两个节点编号，可用字母或数字。VALUE为电阻值，单位为，可正可负，但不能为0。TC1，TC2是温度系数，可选。作为温度函数给出的电阻值为：VALUE(TEMP)=VALUE(TNOM)*(1+TC1

24、(TEMPTNOM)+TC2*(TEMPTNOM)*2)其中TEMP是指当前温度，TNOM是指常温 SPICE认可的数字比列因子缩写 缩写符 等效输入 比例因子 缩写符 等效输入 比例因子 K 1E3 M 1E-3 MEG 1E6 U 1E-6 G 1E9 N 1E-9 T 1E12 P 1E-12 F 1E-15 电容C和电感L格式：××××××× N+ N- VALUE<IC=INCOND> L××××××× N+ N- VALUE<

25、IC=INCOND> 其中， N+ ， N- 分别是元件的正负节点，VALUE是单位为的电容值或单位为的电感值。对于电容，可选的初始值电压为0，电容器两端的节点顺序应与初始值电压的方向保持一致。对于电感，可选的初始值电流为0，方向从N+ 到 N- 。注意：给出的初始条件只有在瞬态分析TRAN语句中给出UIC定义才有效。例如： BYPASS 10 0 1UF COSCI 2 3 100PF IC=3V LTUNE 35 5 1UH LSHUNT 20 10 1N IC=1MA互感M 格式：××××××× LYYYYYYY

26、 LZZZZZZZ VALUELYYYYYYY LZZZZZZZ为两个藕合电感明。 VALUE是电感系数，它必须大于0，小于等于1，默认值为1。应用“.”约定， “.”放在每个电感的+节点上。例如：L1 1 2 10UH；定义L1L2 2 3 10UH：定义L2L3 6 7 10UH；定义L3L4 8 9 10UH：定义L4KCO L1 L2 L3 L4 O977；互感线性电压控制电流/电压源线性电压控制电流源G，线性电压控制电压源E。格式：××××××× N+ N- NC+ NC- VALUE E××&

27、#215;×××× N+ N- NC+ NC- VALUE 其中， N+ ， N- 分别是受控源的正负节点， NC+ NC- 是控制端口的正负节点，G的VALUE是单位为S的跨导值，E的VALUE是单位为无量纲的电压增益。线性电流控制电流/电压源线性电流控制电流源F，线性电流控制电压源H。格式：F××××××× N+ N- VNAM VALUEH××××××× N+ N- VNAM VALUE 其中， N+ ， N-

28、 分别是受控源的正负节点，电流从N+ 到 N- ， VNAM 是控制电流支路电压源名称，电流方向从正节点通过电压源流向负节点。F的VALUE是无量纲的电流增益。H的VALUE是单位为的电阻值。独立电源 独立电源有独立电压源V和独立电流源I格式分别为：××××××× N+ N- <<DC>DC/TRAN VALUE +<AC<ACMAG<ACPHASE>>>××××××× N+ N- <<DC

29、>DC/TRAN VALUE +<AC<ACMAG<ACPHASE>>>N+ ， N- 分别是电源的正负节点，正电流的方向规定从正节点通过电流源流向负节点。正值的电流源是强制电流从正节点流出，负节点流入。在PSPICE中，电压源还可用作电流表，用于测试支路电流，由于电压源内阻为0，相当于短路，故对电路不产生影响。DC/TRAN是电源的直流和瞬态值，如果两值均为0，则可省略，如果电源值不变，则DC标识可省略。ACMEG和ACPHASE分别是交流信号的幅度和相位，用于电路的AC分析。如果在AC标识中省略ACMEG，它的值就假定为1；如果省略ACPHASE，

30、它的值就假定为0。如果电源不是交流小信号输入，AC、ACMEG、 ACPHASE均省略。任何一个电源均可设定为时变信号源，用于瞬态分析。此时，时间等于0的值就用于DC分析。例如：VCC 100 0 DC 5V；*直流电源V20 2 0 20；*省去DC的直流电源VAC 6 3 AC1V； *交流电源VIN 10 2 0.5 AC 0.5 SIN（0 1 1MEG）；*直流，交流和瞬态分析正弦电压源ISRC 20 21 AC 0.3 45.0 SFFM(0 1 10G 5 1MEG)；*电流源VMEAS 12 13； *电流表13、 SPICE的分析类型、各种分析类型对电源的要求1、直流分析 直

31、流分析主要包括：      直流工作点分析      小信号转换函数分析      直流扫描分析     直流扫描曲线族分析在直流分析中，所有的独立电源和受控电源都是直流型的，且处于直流稳态下，因此，电感应看成短路，电容应看成开路。 直流工作点分析在电路中电感短路和电容开路的情况下，计算电路的静态工作点。SPICE在进行瞬态分析、交流分析前自动进行直流工作点分析，已确定瞬态分析的初始条件、交流分析的非线性器

32、件线性化小信号模型。其格式为.OP。静态工作点分析（·OP）当电路中含有非线性元件（如二极管、三极管）时，其参数取决于静态工作点。 在不同的工作点，Pspice会产生在工作点附近的小信号等效参数。Pspice在进行直流分析和转移函数分析时，都需计算出直流工作点，若有非线性元件就会自动计算出非线性元件在工作点处的小信号参数。 如果输入中有.OP语句，SPICE将打印输出以下内容：所有节点的电压；所有电压源的电流及电路的直流总功率；所有晶体管各级的电压和电流；非线性受控源的小信号（线性化）参数。否则，纸打印输出的内容。直流扫描分析（Dc sweep） 直流扫描分析的作用是：当电路中某一参

33、数（称为自变量）在一定范围内变化时，对自变量每一个取值，计算电路的直流偏置特性（称为输出变量）。在分析过程中，将电容开路，电感短路，各个信号源取其直流电平值；若电路中还包含逻辑单元，则将每个逻辑器件的延时取为0，逻辑信号激励源取其t=0时的值。小信号转换函数分析(.TF) Pspice使用小信号转移函数分析计算电路的直流小信号增益、输入电阻和输出电阻。 若电路中有非线性元件，Pspice是通过计算静态I作点，并且作出工作点附近的非线性元件特的性线性化来计算直流转移函数，此时，L短路、C开路。 .TF表示求直流分析时小信号输出/输入值,即V(5,3)/VIN值VIN值由电源给出，为输入电压。分析

34、后同时给出输出、输入电阻值，用于直流放大器的分析。 例: .TF I(VL) IIN(VI) 表示求转移电流比2、交流特性分析（.AC）例： .AC DEC 5 1 100DEC 表示十倍频程变化, 上例表示在 1HZ10HZ，10HZ100HZ 两个频段中,分别取5个频率点做交流分析例： .AC OCT 3 2 8OCT表示二倍频程变化.上例表示在 2HZ4HZ，4HZ8HZ 各频段中,每段取3个频率点做交流分析析例： .AC LIN 10 1 100LIN 表示线性变化, 上例为在1HZ100HZ范围内均匀取10点分析3.瞬态分析.TRAN瞬态分析（TRAN）的功能： 瞬态分析的目的是在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应。计算瞬态分析时，首先计算t=0时的电路初始状态，然后从t=0到某一给定时间范围内选取一定的时间步长，计算输出端在不同时刻的输出电平。瞬态分析结果自动存入以DAT为扩展名的数据文件中。 在PSpice瞬态分析中，输入激励信号的波形可以采