微电子学概论

一、绪论1.与晶体管有关的半导体的三个物理效应：光电导效应、半导体光生伏特效应、半导体整流效应。

2.集成电路的分类1）按器件结构分类：双极、MOS、双极—MOS混合型（BiMOS）。

2）按集成电路规模分类：小规模、中规模、大规模、超大规模（Very large scale IC,即VLSI）、特大规模和巨大规模集成电路。

3）按结构形式分类：单片和混合。

4）按电路功能分类：数字、模拟、数模混合。

3. 微电子学的特点：是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。

（综合性强、发展迅速、渗透性极强）二、半导体物理和器件物理基础1. 金属、半导体、绝缘体的区别：半导体中存在着禁带，而金属中不存在；半导体和绝缘体的禁带宽度和电导率的温度特性不同。

2. 半导体的主要特点：1）纯净的半导体中，电导率随温度的上升指数增加；2）半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，且掺杂时温度对其影响较弱；3）半导体中可以实现非均匀掺杂；4）光的辐照、高能电子的注入可影响半导体的电导率。

3．常见的半导体材料：Si Ge GaAs InSb GaP 等。

4. 半导体的掺杂：载流子包括电子和空穴，其中n型电子为多子、依靠电子导电，P型空穴为多子、依靠空穴导电。

5. 量子态：电子的稳恒运动，电子具有完全确定的能量。

量子跃迁：电子在一定条件下从一个能态跃迁到另一个能态的突变。

6. 浅能级：施主能级和受主能级分别距离导带和价带非常近，电离能很小。

深能级：其他许多杂质的能级离导带和价带较远。

7. pn结的性质：单向导电性；载流子的运动形式：漂移、扩散、产生、复合。

8. MOS场效应晶体管(Mental Oxide Simiconductor Field EffectTransistor)导电机制：反型层的形成——阈值电压。

MIS: Mental Insulator Simiconductor 金属—绝缘层—半导体加压可产生感生电荷。

三、大规模集成电路基础1、集成电路性能参数：集成度、功耗延迟积（优值）、特征尺寸。

2、成品率：受制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料质量、指标要求等因素影响。

3、存储器：随机存储器（RAM）—DRAM和SRAM只读存储器（ROM）—PROM和Flash ROM浮栅场效应晶体管是电可编程的基本存储单元，具有控制栅和浮置栅两层栅结构。

四、集成电路制造工艺1、芯片制造过程：1）材料膜的生长—CVD（化学气相淀积）：常压（APCVD）、低压（LPCVD）、等离子增强（PECVD）2）对材料膜的图形化—光刻:在衬底表面淀积材料层后，将部分区域材料层保留而部分区域去除的过程。

超细线条光刻技术（亚100nm）：甚远紫外线、电子束分步投影光刻、软X射线、等离子束光刻等技术3）材料膜的移除—刻蚀：湿法腐蚀（用化学试剂磨片、抛光、清洗、处理）、干法刻蚀（物理离子轰击、化学等离子刻蚀、反应离子刻蚀）2、氧化硅层的主要作用：1）作为MOS期间的绝缘栅介质2）用作选择扩散时的掩蔽层3）作为离子注入的阻挡层4）作为集成电路的隔离介质材料5）作为电容器的隔离介质材料6）作为多层金属互连层之间的介质材料7）作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料3、金属的主要作用：接触、互连、作电容、作电感等。

4、Cu互连的大马士革工艺——在沟槽中精确地嵌入Cu线主要步骤：淀积绝缘层介质、刻蚀沟槽、沟槽底部侧面淀积TiN/TaN、CVD法淀积铜、抛光研磨铜。

5、MOS工艺流程1）初始材料准备2）形成n阱：氧化—淀积氮化硅—光刻—刻蚀氮化硅—离子注入（磷）3）形成p阱：n阱区生长厚氧化层—去掉光刻胶及氮化硅—离子注入（硼）—去掉n阱区氧化层4）形成场隔离区，将pmos 、nmos隔开5）形成多晶硅栅：热生长栅氧化层—CVD淀积多晶硅—大剂量离子注入—光刻—刻蚀—去除光刻胶—CVD淀积氧化层—刻蚀氧化层—淀积Ti或Co—低温退火—去掉氧化层上的Ti或Co—高温退火6）形成n管源漏区：光刻（保护pmos区）—离子注入磷或砷7）形成p管源漏区：光刻（保护nmos区）—离子注入硼8）形成接触孔9）形成第一层金属10）形成穿通接触孔11）形成第二层金属12）合金13）形成钝化层14）测试封装，完成制造工艺。

六、集成电路设计1、集成电路设计：根据电路的功能和性能的要求，在正确的功能配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的条件下，尽量减小芯片面积、降低设计成本、缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。

——设计的最终输出结果是掩膜版图2、集成电路设计的特点：1）对正确性要求更严格2）采用便于检测的电路结构，考虑电路的自检测功能3）特有的布局布线等版图设计过程4）采用分层分级设计和模块化设计3、数字集成电路，基于分层分级设计思想，一般采用自顶向下(top-down)的设计过程，主要包括三个设计阶段：1）功能设计（最高层级的设计）2）逻辑和电路设计3）版图设计：版图生成——布图规划和布局布线版图检查和验证——用到的EDA工具有DRC、ERC、LVS、POSTSIM4、超深亚微米VDSM(very deep submicrometer)VDSM——100微米以下，DSM——200微米以下在VDSM中，互连延迟是制约电路速度的主要因素（超过门延迟）。

5、制定设计规则的目的：在芯片尺寸尽可能小的前提下，避免线条宽度偏差和不同层掩模版套准偏差可能带来的问题，尽可能地提高产品成品率。

6、芯片成本：C T=C D/V+C P/ynC D为设计开发费用；C P为每片芯片的工艺费用；V为生产数量；y为成品率；n为每个硅片上的芯片数目。

7、主要的设计方法：1）全定制——以人工设计为主，易出错，要有完善的EDA检测工具，适于高性能、大批量产品2）定制3）半定制4）可编程逻辑电路——PLD(包括PLA、PAL、GAL)和FPGA(包括LCA 、CPLD)8、专用集成电路（Application-specific Integrated Circuit）ASIC1）标准单元设计方法是目前应用最广泛的ASIC设计方法之一特点：等高不等宽，布线通道区没有宽度限制，利于实现优化布线。

2）门阵列设计方法：是一种母片半定制技术——一部分掩模已经做好。

“门海技术”：单元四周均可布线，且布线通道可调。

9、可测性设计在尽可能少地增加附加引线脚和附加电路，并且芯片损失最小的情况下，满足电路可控制性和可观察性的要求。

包括：扫描途径测试技术、特征量分析测试技术、边界扫描测试技术、自测试技术。

七、集成电路设计的EDA系统1、集成电路相关的CAD包括：ECAD、TCAD2、综合：通过附加一定的约束条件，结合相应的单元库，从设计的高层次向低层次转换的过程，是一种自动设计的过程。

1）高级综合2）逻辑综合3、逻辑模拟：最简单，用时最短电路模拟：最复杂，用时最长——SPICE电路模拟软件时序分析：比门级逻辑模拟功能强，比SPICE速度快，但精确度稍低。

可将三者结合起来进行混合模拟。

4、布局方案优劣判断：（1）布线总长最短（2）布通率达100%（3）布线密度均匀布线质量好坏评价：1）100%布通率2）布线面积最小3）布线总长最小4）通孔数少5）布线均匀5、测试向量生成：主要考虑在保证向量产生时间的情况下，产生最小或最少一组输入信号来测试所涉及的电路，同时尽量达到最大故障覆盖率。

故障覆盖率：测试向量所检测出的向量与按照故障模型设立的电路故障总数之比。

测试向量生成方法的有效性：利用测试向量集的大小和它能覆盖故障的百分比来衡量。

八、系统芯片（SOC）设计1、系统芯片：1）广义上：可将信息获取、处理、存储、交换甚至执行的功能集成在一起；2）狭义上：主要集中信息处理、存储、交换等功能在一起。

2、SOC的特征：1）含有可实现复杂功能的VLSI；2）使用一个或多个嵌入式CPU或DSP；3）采用IP核进行设计；4）采用VDSM技术；5）具有可从外部对芯片进行编程的功能。

3、SOC设计的三大支撑技术：软硬件协同设计技术、IP设计和复用技术、VDSM设计技术。

4、IP：只具有知识产权的，经过了验证、性能优化，可以被复用的功能模块或子系统。

有时也称IP核。

IP复用——有些模块直接用现成的IP实现，可缩短产品设计时间，减小设计风险。

九、光电子器件1、光电子器件：光子和电子共同起作用的半导体器件。

主要包括三大类：1）半导体电致发光器件——电能转化为光能2）光电探测器——以电学方法检测光信号3）太阳能电池——利用半导体内光电效应将光能转化为电能器件中广泛用到的光电效应有：光电导、光生伏特、光电发射效应2、半导体发光二极管的工作原理：正向偏置下的载流子注入，当非平衡少子与多子复合时，以辐射光子的形式将多余的能量转为光能。

3、内量子效率：产生辐射的电流占总电流的比例。

与pn结内部掺杂浓度有关。

外量子效率：从半导体中实际发射的光子数占总光子数的比例。

数值通常非常小。

4、半导体激光器使半导体发射激光必须具备三个条件：1）建立粒子数反转分布，即高能态的载流子数要远大于低能态，以产生受激辐射；2）有一个能起光反馈作用的谐振腔，以产生激光振荡；3）满足一定的阈值条件，使光增益大于损耗，以形成振荡。

5、半导体光探测器三个基本过程：1）光入射到半导体中激励产生载流子2）载流子输运及倍增3）电流经过外电路作用后输出信号，完成对光子的探测过程6、光电二极管：PIN光电二极管——尽量增加耗尽区宽度，提高灵敏度雪崩光电二极管——雪崩倍增效应，有很大电流增益7、电荷耦合器件（CCD）：利用耗尽层进行工作，是非稳态工作器件；而MOS管是利用反型层进行工作，是稳态工作器件。

8、半导体太阳能电池：工作机理是光生伏特效应（无需外加电压，可直接将光能转化为电能，并驱动负载）十、微机电系统（MEMS）1、MEMS将电子系统与外部世界有机联系起来。

广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器及信号处理器和控制器、接口电路、通信、电源于一体的微型机电系统。

MEMS主要包括：微型传感器、执行器、信号处理器三部分。

2、微加速度计理论基础：牛顿第二定律。