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《半导体集成电路》课程教学教案课程总体介绍：教材：选用清华大学出版社出版的朱正涌编写的高等学校电子信息类规划教材《半导体集成电路》一书。根据同学的基础情况参考了上海科技出版社张延庆，张开华编写《半导体集成电路》。1．该教材参考教学学时为120学时。2．本教案按教学学时数：64学时编制。3．教学内容学时分配：第一篇半导体集成电路制造工艺与寄生效应11学时第0章绪论2学时第一章半导体集成电路基本制造工艺5学时第二章集成电路的寄生效应4学时第二篇双极型逻辑集成电路21学时第三章TTL集成电路11学时第四章TTL中大规模集成电路设计与版图设计8学时第五章ECL电路与IIL电路2学时第三篇MOS逻辑集成电路24学时第六章MOS反相器与传输们10学时第七章MOS基本逻辑门与版图设计8学时第八章MOS存储器6学时第四篇模拟集成电路8学时第九章模拟集成电路中的元器件与基本单元8学时教案结构：课程内容；课程重点；课程难点；基本概念；基本要求。基本概念视同学的基础可以适当删减。：课程教案:第一篇半导体集成电路制造工艺与寄生效应11学时第0章绪论2学时第一章半导体集成电路基本制造工艺5学时第二章集成电路的寄生效应4学时绪论2学时课程内容:认识集成电路；集成电路的定义：集成电路的应用特点；集成电路分类。1半导体集成电路的发展史2集成电路发展的特点3半导体集成电路的分类4课程内容介绍及要求课程重点：介绍了何谓集成电路，集成电路发展过程，集成电路是如何分类的（即可分为膜集成电路.半导体集成电路和混合集成电路。半导体集成电路）是以制造工艺分类的，以集成电路的发展史集成电路有何特点；介绍了何谓半导体集成电路，半导体集成电路的分类（即按照电路中晶体管的导电载流子状况分类，可分为双极型集成电路和单极型集成电路两种；按照电路工作性质分类，可分为数字集成电路和模拟集成电路两种），半导体集成电路的重要概念-集成度，以及半导体集成电路的优点（即体积小重量轻；技术指标先进可靠性高以及便于大批量生产和成本低等）。最后给出了课程总体内容介绍，并给出了有关参考书。课程难点：有关半导体集成电路的定义，不同方法的分类；有关半导体集成电路集成度的定义方法，以及半导体集成电路的发展特点。表1集成电路发展规划代次的指标年份1997199920012003200620092012最小线宽(μm）0.250.180.150.130.100.070.01DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G每片晶体管数（M）112140762005201400频率(兆赫）750120014001600200025003000金属化层层数66-7777-88-99最低供电电压（v）1.8-2.511.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.26-0.90.5-0.6最大晶圆直径（mm）200300300300300450450基本概念：1集成电路-将某一电路所需的若干元器件（晶体管；二极管；电阻和电容）均制作于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的完整电路。2膜集成电路-由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的集成电路。3半导体集成电路-以半导体（硅）单晶为基片，以外延平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4混合集成电路（组合集成电路）-由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路。5双极型集成电路-由一般平面双极晶体管构成的集成电路，其载流子为电子和空穴。6单极型集成电路（MOS集成电路）-由MOS场效应管构成的集成电路，其导电载流子仅有电子（或空穴）一种。7数字集成电路-处理数字量信号的集成电路。数字量指以某一最小单元作不连续变化的量。8模拟集成电路-处理模拟量信号的集成电路。模拟量指能够连续变化的量。9集成电路的集成度-单位面积芯片上最多可容纳的元器件个数。单位；元器件个数/平方毫米。10集成电路的规模-以单个芯片上最多可容纳的元器件个数为划分依据。单位；元器件个数/单芯片。基本要求：掌握集成电路的定义及分类；掌握半导体集成电路发展特点；熟练掌握半导体集成电路种类划分；3.了解集成电路发展过程和发展方向。课程参考书目及要求：对双极型部分：1器件原理部分：书目：《半导体物理》，《晶体管原理》，《半导体器件物理》。要求：熟悉晶体管单结特性及相关公式；熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟悉晶体管瞬态（频率）特性。2工艺原理部分：书目：《半导体器件工艺原理》，《超大规模集成电路技术基础》，《集成电路制造技术》。要求：熟悉pn结形成的工艺原理及平面结工艺结构；熟悉pn结形成时的工艺影响因素；熟悉常规集成电路工艺剖面结构以及各电性区的作用，集成电路制造带来的各种寄生。3电路及集成电路构成基础知识部分：书目：《电子技术基础》，《数字集成电路》，《模拟集成电路》已开过课程。要求：熟悉各种门电路的基本线路构成；熟悉构成各种门电路的各种基本元器件；熟悉各种门电路的基本工作原理；熟悉各种门电路的组合；熟悉各种二进制规则及逻辑关系的变换。MOS集成电路部分：书目：〈晶体管原理〉第八章场效应晶体管；〈单极型晶体管〉。要求：熟悉MOS晶体管结构；熟悉MOS晶体管工作原理；熟悉MOS晶体管类型及不同工作条件下的特性；熟悉MOS晶体管各种电流-电压关系式。第一章半导体集成电路基本制造工艺5学时内容1双极集成电路的基本制造工艺3学时复习、二极管、三极管的结构工作状态；硅材料；集成电路基本工艺；1.1pn结隔离工艺的工艺流程1.2典型pn结隔离的实现及埋层作用1.3pn结隔离结构形成的说明课程重点:本节主要介绍了双极型逻辑集成电路制造中常用的典型pn结隔离工艺的工艺流程和工艺剖面结构分别作了介绍,它是双极型逻辑集成电路制造中最最常用的隔离工艺，因为该工艺与常规平面制造工艺相容性最好。并介绍了埋层所起到的两个作用，即解决了正面连线造成的集电极串联电阻增大的问题，又解决了器件功率特性和频率特性对材料要求的矛盾。强调了常规pn结隔离是如何从工艺上实现的，即隔离扩散的各扩散区均必须扩穿外延层而与p衬底连通（或称各隔离墙均有效）；强调了常规pn结隔离集成电路在使用时是如何给予电性保证的，即p衬底接电路最低电位（保证隔离pn结二极管处于反向偏置）。课程难点：pn结隔离方法是如何使半导体集成电路中各元器件在电性能上达到绝缘隔离的；埋层在集成电路中作用的原理；pn结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的。基本概念：1pn结隔离-利用反向pn结的大电阻特性实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。2介质隔离-使用绝缘介质取代反向pn结，实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。3混合隔离-在实现集成电路中各元器件间电性隔离时，既使用了反向pn结的大电阻特性又使用了绝缘介质电性绝缘性质的方法。基本要求：了解三种隔离方法，特别是隔离结构带来的有源寄生和无源寄生性能的对比。掌握典型pn结隔离的工艺流程和各工序的作用，了解典型pn结隔离集成电路的pn结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的；清楚的知道埋层是如何制造的，埋层有何特点，埋层在半导体集成电路结构中有何作用以及埋层制造质量对集成电路电性的能影响。§2、MOS集成电路的基本制造工艺2学时内容：1.1MOS管结构工作状态；MOS电路特点；1.2常用的MOS集成电路基本制造工艺；剖面图；工艺流程图；2.1N沟道硅栅E/DMOS集成电路工艺；2.2P阱硅栅CMOS工艺；2.3N阱硅栅CMOS工艺；2.4双阱硅栅CMOS工艺。课程重点：本节讨论了MOSIC的工艺过程。介绍了nMOS硅栅工艺的制造工艺流程；介绍了CMOS硅栅工艺的制造工艺流程、剖面图，并对上述各工艺流程中的重点工艺阱的的概念、场氧化、自对准工艺、说明。对P阱硅栅CMOS工艺，N阱硅栅CMOS工艺，双阱硅栅CMOS工艺课程难点：硅栅工艺工艺结构；硅栅工艺的设计参数及其调控场氧化、阈值电压的调控。基本概念：1MOSIC的设计-含有集成电路逻辑设计、集成电路结构设计、集成电路制造工艺设计和集成电路版图设计的全过程。2集成电路逻辑设计-对数字电路来讲，应为逻辑功能设计。3集成电路结构设计-有电路指标完成电路搭结构成。其中包括，各元器件参数的选择（阈电压和沟道宽长比等）、基本单元类型选择（何种沟道器件、负载用增强型还是耗尽型、反相器还是传输门、动态单元还是静态单元等等）以及基本单元间的电路搭结。4集成电路制造工艺设计-确定工艺参数、工艺制造参数、工艺条件和工艺流程。5集成电路版图设计-给出制造工艺流程中，各次光刻版图相互套合的总版图图形（由此制造各光刻掩模）。6铝栅工艺-用金属铝作为MOS管栅极的常规工艺。7硅栅工艺-用掺杂多晶硅作为MOS管栅极的先进工艺。8场区-硅片上不制作器件的区域（除栅区和有源区之外的区域）。9栅区-栅极下方形成导电沟到的区域。10有源区-直接从外部接收和向外部送出电信号的区域（指MOS管的源区和漏区）。11应用多晶硅-指具有良好导电性能的高（重）掺杂多晶硅。12硅栅工艺中的埋孔-指含杂多晶硅与扩散层之间的接触孔。13场开启-在场区形成寄生导电沟到的现象。14E/DnMOS铝栅工艺的场区硼离子注入-在P型场区进行高剂量P型杂质硼离子注入，增强场区P型性质。15E/DnMOS铝栅工艺的栅区磷离子注入-在耗尽型负载管的P型栅区进行N型杂质磷离子注入，对P型栅区进行杂质补偿。16E/DnMOS铝栅工艺的栅区硼离子注入-在增强型输入管的P型栅区进行高剂量P型杂质硼离子注入，增强该栅区P型性质。基本要求：掌握MOSIC的工艺设计的过程。熟悉铝栅工艺的工艺结构，制造的工艺方法和工艺步骤；熟悉硅栅工艺的工艺结构，制造的工艺方法和工艺步骤；熟悉常见的4种工艺流程。清楚相对铝栅工艺和硅栅工艺两种工艺流程来讲，n沟MOS集成电路在工艺上有何区别，在性能上又有何区别；清楚相对铝栅工艺和硅栅工艺两种工艺流程来讲，CMOS集成电路在工艺上有何区别，在性能上又有何区别。对工艺流程中的可调控工艺参量，能熟练的采用工艺手段进行调控，并且能从理论上分析调控工艺手段为何可调控工艺参量，重点掌握各区阈电压的调控。§3、Bi—CMOS工艺Bi—CMOS工艺的意义；Bi—CMOS工艺分类。第二章集成电路中元器件的结构和寄生效应4学时内容：1集成电路中npn管结构带来的寄生效应1.1典型pn结隔离结构中npn管带来的寄生效应1.2pn-介质混合隔离结构中npn管带来的寄生效应1.3介质隔离结构中npn管带来的寄生效应2集成电路中电阻结构带来的寄生效应2.1典型pn结隔离结构中电阻的结构特点2.2引入的寄生器件2.3电路中电阻的使用特点2.4集成电路中电阻结构引入的寄生电容3集成电路中典型反相器引入的寄生效应3.1集成反相器的构成及其寄生3.2去除有源寄生的措施课程重点：本节主要介绍了常规集成电路制造中典型元件-基区扩散电阻制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为三层二结结构；典型器件npn管制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为四层三结结构；典型反相器制造带来的寄生效应，它应含有电阻制造带来的寄生和npn管制造带来的寄生。这些寄生均分为有源寄生效应和无源寄生效应，有源寄生效应影响集成电路的直流特性和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅影响电路的瞬态特性。本节重点是npn管制造带来的寄生效应，其有源寄生-寄生晶体管对集成电路性能带来的不良影响。介绍了如何从工艺上采取措施消除这种有源寄生的影响，所采取的工艺措施是在npn管集电区掺金（相当于在pnp管基区掺金）和在npn管集电区设置高浓度n型埋层（影响pnp管基区性质），它们的作用原理是：掺金的作用，使pnp管基区中高复合中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平衡少数载流子不可能到达集电区从而使pnp管电流放大系数大大降低。埋层的作用有两个，其一，埋层的下反扩散导致pnp管基区宽度增加，非平衡少数载流子基区渡越时间增长，非平衡少数载流子在基区的复合率增大，从而