集成電路作業(yè).doc

2月29日 集成電路設計 第一次作業(yè) 課本25頁第2、3、4、5、6、7、8題1、GaAs和InP材料各有哪些特點？砷化鎵（GaAs）半導體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比：具有很高的飽和電子速率及高的電子移動率（約為硅材料的4倍）它是直接能隙的材料，所以可以用來發(fā)光。GaAs具有寬禁帶結構。磷化銦（InP）具有：電子極限漂移速度高。耐輻射性能好。導熱好。與砷化鎵半導體材料相比，它具有擊穿電場、熱導率、電子平均速度均高的特點。2、在怎樣的條件下金屬與半導體形成歐姆接觸？在怎樣的條件下經(jīng)屬于半導體形成肖特基接觸？歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸，而其接觸面的電阻值遠小于半導體本身的電阻，使得組件操作時，大部分的電壓降在活動區(qū)(Active region)而不在接觸面。欲形成好的歐姆接觸，有二個先決條件：金屬與半導體間有低的勢壘高度(Barrier Height)半導體有高濃度的雜質摻入(N 10EXP12 cm-3)肖特基接觸是指金屬和半導體材料相接觸的時候，在界面處半導體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。勢壘的存在才導致了大的界面電阻。與之對應的是歐姆接觸，界面處勢壘非常小或者是沒有接觸勢壘。3、說出多晶硅在CMOS工藝中的作用在CMOS及雙極器件中，多晶硅用制作柵極、形成源極與漏極（或雙極器件的基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、薄PN結的擴散源、高值電阻等4、列出你知道的異質半導體材料系統(tǒng)GaAs和AlGaAs； InP和InGaAs；Si和SiGe；5、SOI材料是怎樣形成的，有什么特點？SOI又稱絕緣層上硅，一種新型結構的硅材料，通過在體硅中加入一層絕緣層，而具有一些特殊的性質。SIMOX工藝流程：、在注入過程中，氧離子被注入圓片里，與硅發(fā)生反應形成二氧化硅沉淀物。然而注入對圓片造成相當大的損壞，而二氧化硅沉淀物的均勻性也不好。隨后進行的高溫退火能幫助修復圓片損壞層并使二氧化硅沉淀物的均勻性保持一致。這時圓片的質量得以恢復而二氧化硅沉淀物所形成的埋層具有良好的絕緣性。晶片粘接工藝流程：第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一非氧化圓片上鍵合；第二步是經(jīng)過退火增強兩個圓片的鍵合力度；第三步通過研磨、拋光及腐蝕來消薄其中一個圓片到所要求的厚度。SOI的技術優(yōu)勢：速度高；功耗低；集成密度高；成本低；抗輻照特性好。6、肖特基接觸和歐姆型接觸各有什么特點？肖特基接觸：單向導電性；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導體多數(shù)載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；有較低的正向導通電壓。歐姆型接觸：歐姆接觸的特點是不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載流子濃度產(chǎn)生明顯的改變。7、簡述雙極型晶體管和MOS晶體管的工作原理。雙極型晶體管工作原理：由于晶體管有兩個PN結，所以它有四種不同的運用狀態(tài)：發(fā)射結正偏，集電結反偏時，為放大工作狀態(tài)；發(fā)射結正偏，集電結也正偏時，為飽和工作狀態(tài)；發(fā)射結反偏，集電結也反偏時，為截止工作狀態(tài)；發(fā)射結反偏，集電結正偏時，為反向工作狀態(tài)。MOS晶體管的工作原理：如果沒有任何外加偏置電壓，這時，從漏到源是兩個背對背的二極管。它們之間所能流過的電流就是二極管的反向漏電流。在柵電極下沒有導電溝道形成。如果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，從靜電學的觀點看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P型襯底中的可動的空穴電荷而吸引電子。電子在表面聚集到一定濃度時，柵下的P型層將變成N型層，即呈現(xiàn)反型。N反型層與源漏兩端的N型擴散層連通，就形成以電子為載流子的導電溝道。3月14日 第二次作業(yè)P37:55、說出半導體工藝中摻雜的作用，舉例兩種摻雜方法，并比較其優(yōu)缺點。答：摻雜的作用是以形成特定導電能力的材料區(qū)域,包括N型或P型半導體層和絕緣層。雜質摻雜的實際應用主要是改變半導體的電特性。熱擴散和離子注入是半導體摻雜的兩種主要方式。離子注入法的優(yōu)點：精確控制雜質含量很好的雜質均勻性對雜質穿透深度有很好的控制。產(chǎn)生單一粒子束低溫工藝注入的離子能穿過掩蔽膜無固溶度極限缺點：費用高昂在大劑量注入時半導體晶格會被嚴重破壞并很難恢復熱擴散法的優(yōu)點：無損傷摻雜產(chǎn)率高 缺點：需要長時間驅入退火，可能獲得低表面濃度低計量預淀積困難受到固溶度限制P57:2、3、4、5、6、72、比較CMOS工藝和GaAs工藝的特點答：GaAs潛在速度最高，而CMOS可以做到功耗最小。3、什么是MOS工藝的特征尺寸？答、所謂特征尺寸就是工藝可以實現(xiàn)的平面結構的最小尺寸，通常是指最窄的線寬。由于MOS的柵極通常采用最窄的線條來實現(xiàn)，特征尺寸往往就是溝道方向上柵極線條的寬度。4、為什么硅柵工藝取代鋁柵工藝成為CMOS工藝的主流技術？答：硅柵工藝無需重疊設計，減小了電容，提高了速度。無需重疊設計，減小了柵極尺寸，漏、源極。尺寸也可以減小，即減小了晶體管尺寸，提高了速度，增加了集成度。增加了電路的可靠性。故硅柵工藝取代鋁柵工藝成為CMOS工藝的主流技術。5、為什么在柵長相同的情況下NMOS管速度要高于PMOS管？答：由于電子的遷移率e大于空穴的遷移率h，即有e2.5h, 因而，N溝道FET的速度將比P溝道FET快2.5倍。6、簡述CMOS工藝的基本工藝流程。答：以典型的n阱CMOS工藝主要步驟為例： 形成 n 阱區(qū)確定 nMOS 和 pMOS 有源區(qū)場和柵氧化（thinox）形成多晶硅并刻蝕成圖案p+擴散n+擴散刻蝕接觸孔沉積第一金屬層并刻蝕成圖案沉積第二金屬層并刻蝕成圖案形成鈍化玻璃并刻蝕焊盤7、常規(guī)N阱CMOS工藝需要哪幾層掩模？每層掩模分別有什么作用？在SiO2上涂光刻膠，光刻N阱摻雜窗口（一次光刻）。生長一層SiO2，再生長一層Si3N4。光刻場區(qū)（二次光刻）光刻多晶硅柵極（三次光刻） 光刻P+離子注入窗口（四次光刻）光刻N+離子注入窗口（五次光刻） 光刻接觸孔（六次光刻）生長一層金屬，光刻金屬引線（七次光刻）P74：1、2、3、4、5、6、7、8、9、101、畫出MOSFET的基本結構。2、 寫出MOSFET的基本電流方程。3 、MOSFET的飽和電流取決于哪些參數(shù)？當Vgs-VT=Vds時，滿足Ids達到最大值Idsmax，其值為: 4、 為什么說MOSFET是平方率器件？增強型MOSFET（E-MOSFET）的飽和源-漏電流表示式為 飽和電壓(VGS-VT)就是溝道夾斷時的源-漏電壓。在MOSFET的轉移特性（IDsatVGS）曲線上，E-MOSFET的飽和源-漏電流IDsat與飽和電壓(VGS-VT)的關系即呈現(xiàn)為拋物線。導致出現(xiàn)這種平方關系的原因有二：溝道寬度越大，飽和源-漏電流越大，飽和電壓也就越高；電流飽和就對應于溝道夾斷，而夾斷區(qū)即為耗盡層，其寬度與電壓之間存在著平方根的關系，這就導致以上的平方結果。正因為MOSFET具有如此平方的電流-電壓關系，所以常稱其為平方率器件。 5、 什么是MOSFET的閾值電壓?它受哪些因素影響。答：MOSFET表面呈現(xiàn)強反型、形成導電溝道時的柵源電壓，以VT表示。影響閾值電壓的因素 （1）柵電容Cox（2）接觸電勢（3）襯底雜質濃度的影響（4）氧化層電荷密度的影響 6 、什么是MOS器件的體效應？答：通常，襯底是接地的，但源極未必接地,源極不接地時對VT值的影響稱為體效應(Body Effect)。7 、說明L、W對MOSFET速度、功耗、驅動能力的影響。答：在一階理論的設計方法中，總認為L、W是同步縮減的，是可以嚴格控制的。事實并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版圖上所定義的L、W。原因之一在于制造誤差；原因之二是L、W定義本身就不確切，不符合實際情況。氧化區(qū)具有鳥嘴形的形狀和大小與氧化工藝中的參數(shù)有關，但是有一點是肯定的，器件尺寸，有源區(qū)的邊沿更動了。器件的寬度不再是版圖上所畫的Wdrawn，而是W，且W = Wdrawn-2DW，式中DW就是bird beak侵入部分，其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當器件尺寸還不是很小時，這個DW影響不大；當器件縮小后，這個DW是可觀的，它影響了開啟電壓。另一方面，那個注入?yún)^(qū)也有影響。由于P+區(qū)是先做好的，后來在高溫氧化時，這個P+區(qū)中的雜質也擴散了，侵入到管子區(qū)域，改變了襯底的濃度Na，影響了開啟電壓。同時，擴散電容也增大了，N+區(qū)與P+區(qū)的擊穿電壓降低。另外，柵極長度L不等于原先版圖上所繪制的Ldrawn，也減小了。Ldrawn是圖上繪制的柵極長度。Lfinal是加工完后的實際柵極長度。Lfinal = Ldrawn-2DLpoly。尺寸縮小的原因是在蝕刻（etching）過程中，多晶硅（Ploy）被腐蝕掉了。另一方面，擴散區(qū)又延伸進去了，兩邊合起來延伸了2DLdiff，故溝道長度僅僅是，L = Ldrawn-2DLpoly-2DLdiff，這2DLdiff是重疊區(qū)，也增加了結電容。 DCgs = WDLdiffCox DCgd = WDLdiffCox 式中Cox是單位面積電容。8、 MOSFET按比例收縮后對器件的特性有什么影響？答：減小L和tox引起MOSFET的電流控制能力提高減小W引起MOSFET的電流控制能力和輸出功率減小同時減小L，tox和W， 可保持Ids不變，但導致器件占用面積減小，電路集成度提高。9、 MOSFET存在哪些二階效應？分別由什么原因引起的？二階效應出于兩種原因：1) 當器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為5V，于是，平均電場強度增加了，引起了許多二次效應。2) 當管子尺寸很小時，這些