集成電路版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1章：版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

集成電路版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

basicsofIClayoutdesigninstructor:Wangxiaoleie-mail:wangxiaolei@schoolofphye1basicsoficlayoutdesign第一章版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)

半導(dǎo)體

PN結(jié)

晶體管

基本電路制造工藝及測試通用版圖設(shè)計(jì)流程

schoolofphye2basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-固態(tài)材料分類：導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye3basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-固態(tài)材料分類：導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體。絕緣體：介于10-18S/cm~10-8S/cm,如熔融石英、玻璃導(dǎo)體：介于104S/cm~106S/cm，如鋁、銀等金屬半導(dǎo)體：介于二者之間，如Si、Ge等超導(dǎo)體：大于106S/cm-半導(dǎo)體材料的類型：元素(element)半導(dǎo)體化合物(compound)半導(dǎo)體半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye4basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-元素半導(dǎo)體:

第IV族元素,硅(Si)，鍺(Ge)。硅、鍺都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體，周期表第IV族元素。

20世紀(jì)50年代初期：鍺

60年代初期以后：硅硅的優(yōu)勢：硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%，僅次于氧，儲(chǔ)量豐富。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye5basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-化合物半導(dǎo)體：二元化合物(binarycompound)GaAs、InP、ZnS

三元化合物(ternarycompound)AlxGax-1As

四元化合物(quaternarycompound)GaxIn1-xAsyP1-y

化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢與不足：

1.許多化合物半導(dǎo)體具有與硅不同的電和光電特性。這些半導(dǎo)體，特別是砷化鎵(GaAs),主要用于高速光電器件。

2.與元素半導(dǎo)體相比，制作單晶體形式的化合物半導(dǎo)體通常需要較復(fù)雜的程序。

3.化合物半導(dǎo)體的技術(shù)不如硅半導(dǎo)體技術(shù)成熟。

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye6basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-化合物半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye7basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-能帶孤立氫原子的波爾能級(jí)模型：

Eh=-13.6/n2eV

多個(gè)相同原子接近時(shí),分裂成

N個(gè)分離但接近的能級(jí)，當(dāng)N

很大時(shí)，將形成一連續(xù)的能帶。

-導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶寬度

3s/3p副外層交互作用及重疊，由2/6個(gè)允許的量子態(tài)，分裂成分別有4個(gè)量子態(tài)的低/高能帶。導(dǎo)帶底部為Ec，價(jià)帶頂部為Ev，

Ec-Ev為禁帶寬度Eg。

SiEg=1.12eV,GaAsEg=1.42eV。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye8basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí):

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye9basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-有效質(zhì)量一個(gè)自由電子的動(dòng)能為E=p2/2m0

半導(dǎo)體晶體中，E=p2/2mnmn=(d2E/dp2)-1-直、間接禁帶半導(dǎo)體

以“E-p曲線中導(dǎo)帶的最低處和價(jià)帶的最高處是否發(fā)生在相同的p位置”來判別直、間接禁帶半導(dǎo)體。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye10basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-直接禁帶半導(dǎo)體：右圖為砷化鎵的動(dòng)量-能量關(guān)系曲線，其價(jià)帶頂部與導(dǎo)帶最低處發(fā)生在相同動(dòng)量處

(p＝0)。因此，當(dāng)電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，不需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。這類半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。

砷化鎵有一非常窄的導(dǎo)帶拋物線，其電子的有效質(zhì)量僅為0.063m0。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體能量/eVschoolofphye11basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-間接禁帶半導(dǎo)體：對(duì)硅而言，其動(dòng)量-能量曲線中價(jià)帶頂部發(fā)生在p＝0時(shí)，但導(dǎo)帶的最低處則發(fā)生在沿[100]

方向的p＝pC。因此，當(dāng)電子從硅的價(jià)帶頂部轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶最低點(diǎn)時(shí)，不僅需要能量轉(zhuǎn)換

(≥Eg),也需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換(≥pC)。這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。硅有一較寬的導(dǎo)帶拋物線，其電子的有效質(zhì)量為0.19m0。直接與間接禁帶結(jié)構(gòu)的差異在發(fā)光二極管與激光等應(yīng)用中相當(dāng)重要。直接禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)生有效光子。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體能量/eVschoolofphye12basicsoficlayoutdesign半導(dǎo)體材料

-半導(dǎo)體的特性：

1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而增加(金屬相反)2.光照或用高能粒子輻射半導(dǎo)體，可使電阻率下降

3.當(dāng)半導(dǎo)體含有雜質(zhì)時(shí)，其導(dǎo)電能力取決于雜質(zhì)的類型和濃度

4.具有比金屬強(qiáng)得多的霍耳系數(shù)，而且可正、可負(fù)半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye13basicsoficlayoutdesign器件基本結(jié)構(gòu)：金屬半導(dǎo)體接觸（MESFET：金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）

pn結(jié)異質(zhì)結(jié)（NPN型GaAlAs/GaAs晶體管的結(jié)構(gòu)圖）

MOS結(jié)構(gòu)（N溝道MOSFET）半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體schoolofphye14basicsoficlayoutdesign主要半導(dǎo)體器件:半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-半導(dǎo)體1874金屬半導(dǎo)體接觸

Braun1907發(fā)光二極管LED

Round1947雙極晶體管BJT

Bardeen,Brattain,Shockley1949pn結(jié)

Shockley1952可控硅器件

Ebers1954太陽能電池

Chapin，F(xiàn)uller，Pearson1957異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管HBT

Kroemer1958隧道二極管tunneldiode

Esaki1960MOSFET

Kahng，Atalla1962激光

Hall，etal.1963異質(zhì)結(jié)激光

Kroemer，Alferov，Kararinov1963轉(zhuǎn)移電子二極管TED

Gunn1965碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管IMPATTdiodeJohnston,Deloach,Cohen1966金半場效應(yīng)晶體管MESFET

Mead1967非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器NVSM

Kahng，施敏1970電荷耦合器件CCD

Boyle，Smith1974共振隧道二極管

張立綱，Esaki，Tsu1980調(diào)制參雜場效應(yīng)晶體管MODFET

Mimura,etal.1994室溫單電子存儲(chǔ)器SEMC

Yano,etal.200115nm金氧半場效應(yīng)晶體管

Yu,etal.

schoolofphye15basicsoficlayoutdesignpn結(jié)制作方法：將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體方法有兩種：合金法，擴(kuò)散法。合金法：是將一個(gè)含有所需雜質(zhì)的小球(如鋁球)放在半導(dǎo)體晶片上(如N型硅片)，在真空中將它們一起加熱到小球熔化，雜質(zhì)即以合金的形式摻入到半導(dǎo)體晶片內(nèi)，冷卻后，小球下面就形成了一個(gè)與半導(dǎo)體晶片導(dǎo)電類型相反的(如P型)區(qū)域，得到了所需的P-N結(jié)。用合金法制得的P-N結(jié)稱為合金結(jié)。在理想的合金結(jié)中，N區(qū)的施主及P區(qū)的受主都是均勻分布的，在N區(qū)和P區(qū)的交界處發(fā)生突變。因此理想化的合金結(jié)被稱作突變結(jié)。擴(kuò)散法：是將半導(dǎo)體晶片暴露于高濃度雜質(zhì)(雜質(zhì)的類型與晶片原有的雜質(zhì)類型是相反的)，在高溫下，形成P-N結(jié)。擴(kuò)散法能精確控制結(jié)的位置，其雜質(zhì)分布是緩孌的，擴(kuò)散結(jié)亦稱緩變(漸變)結(jié)。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-PN結(jié)schoolofphye16basicsoficlayoutdesign空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場：多子分別向兩側(cè)擴(kuò)散，而被固定在晶格中的施主(donor)和受主(acceptor)形成空間電荷區(qū)。

P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，N區(qū)一側(cè)帶正電，空間電荷區(qū)內(nèi)形成一個(gè)電場，稱為內(nèi)建電場。

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-PN結(jié)pn結(jié)中的擴(kuò)散、漂移運(yùn)動(dòng)和接觸電勢差schoolofphye17basicsoficlayoutdesign平衡費(fèi)米能級(jí)：熱平衡時(shí)，也就是在給定溫度下，沒有任何外加刺激，流經(jīng)結(jié)的電子和空穴的凈值為零。此時(shí)，整個(gè)樣品上的費(fèi)米能級(jí)必須是常數(shù)，pn結(jié)的p/n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)處在同一水平線上。耗盡區(qū)、勢壘電容:

耗盡區(qū)寬度：

W={[(2εs/q)(NA+ND)/(NA*ND)]*Vbi}1/2

單邊突變結(jié)(one-sideabruptjunction):

W≈xn=[2εs(Vbi-V)/qND]1/2

線形緩變結(jié)(linearlygradedjunction):

W=(12εsVbi/qa)1/3

單邊突變結(jié)單位面積勢壘電容:

Cj=εs/W=[qεsNB/

2(Vbi-V)]1/2

線形緩變結(jié)單位面積勢壘電容:

Cj=εs/W=[qaεs2/12(Vbi-V)]1/3半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-PN結(jié)schoolofphye18basicsoficlayoutdesign結(jié)擊穿：隧道效應(yīng)tunnelingeffect

擊穿機(jī)制雪崩倍增avalanchemultiplication異質(zhì)結(jié)：兩種晶格常數(shù)(latticeconstant)接近的不同半導(dǎo)體材料。

接觸的界面(interface)沒有陷阱(trap)或產(chǎn)生-復(fù)合中心二極管:

二極管符號(hào)由代表陽極的箭頭和代表陰極的垂直線組成。二極管能夠按照箭頭的指向單向?qū)щ姟?/p>

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-PN結(jié)pn結(jié)二極管肖特基二極管齊納二極管schoolofphye19basicsoficlayoutdesign二極管-PN結(jié)二極管二極特性曲線可用下式描述：

ia=G*Ua3/2

二極管的3/2次方定律。二極管-肖特基二極管半導(dǎo)體和金屬之間也可以形成整流結(jié),稱為肖特基勢壘,利用它制作出的半導(dǎo)體器件稱為肖特基二極管.pn結(jié)二極管-少子器件肖特基二極管-多子器件二極管-齊納二極管由隧穿引發(fā)的反向擊穿稱為齊納擊穿。齊納二極管

雪崩二極管半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-PN結(jié)schoolofphye20basicsoficlayoutdesign晶體管的發(fā)明:

1946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立半導(dǎo)體研究小組,

W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。

Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。

1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管Schokley,Bardeen,Brattain&TheFirstTransistorNPN-GeTransistorschoolofphye21basicsoficlayoutdesignBJT：雙極型管，是因?yàn)樗煽昭ê妥杂呻娮觾煞N載流子參與導(dǎo)電。而單極型半導(dǎo)體三極管只有一種載流子導(dǎo)電。由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：

基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度

NPN和PNP兩種形式半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極schoolofphye22basicsoficlayoutdesignBJT：為使三極管具有電流放大作用，在制造過程中必須滿足實(shí)現(xiàn)放大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件，即：

1.發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度，以便于有足夠的載流子供“發(fā)射”。

2.基區(qū)很薄，摻雜濃度很低，以減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，這是三極管具有放大作用的關(guān)鍵所在。

3.集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少，以利于收集載流子。由此可見，三極管并非兩個(gè)PN結(jié)的簡單組合，不能用兩個(gè)二極管來代替；在放大電路中也不可將發(fā)射極和集電極對(duì)調(diào)使用。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye23basicsoficlayoutdesignBJT的三種組態(tài)：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管三極管電路的三種組態(tài)（a）共發(fā)射極接法;（b）共基極接法;（c）共集電極接法schoolofphye24basicsoficlayoutdesignBJT的優(yōu)點(diǎn)：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號(hào)應(yīng)用模擬電路輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)輸入電容由擴(kuò)散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時(shí)在大或小的電流下工作而無需調(diào)整輸入電容schoolofphye25basicsoficlayoutdesignBJT的缺點(diǎn)：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IBschoolofphye26basicsoficlayoutdesignBJT(npn)的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye27basicsoficlayoutdesignMOSFET：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye28basicsoficlayoutdesignMOSFET：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye29basicsoficlayoutdesignMOSFET：長溝道MOSFET的輸出特性

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye30basicsoficlayoutdesignJFET：

JFET夾斷的兩種情況:(1)漏源電壓變大

(2)柵-體和背柵-體反向電壓的不斷增加上述兩種情況都可能引起JFET的漏源擊穿。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管JFET結(jié)構(gòu)圖JFET輸出特性曲線schoolofphye31basicsoficlayoutdesignMESFET：

n型III-V族化合物如GaAs制成，實(shí)際制造是在半絕緣襯底

(semi-insulatingsubstrate)

上生長一外延層。命名：

0.5umx300um(LxZ)器件線性區(qū)溝道電阻：R=ρL/A=L/qμnNDA=L/qμnNDZ(a-W)ND施主濃度，A電流流動(dòng)的截面積，W肖特基勢壘耗盡區(qū)寬度飽和電壓：Vdsat=qNDa2/2εs-Vbi-Vg

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye32basicsoficlayoutdesignHBT：HeterojunctionBipolarTransistor異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，中間層有較低的能帶，因此電子很容易就由旁邊的夾層注入，是故在晶體管中由射極經(jīng)過基極到集極的電流，就可以大為提高，晶體管的放大倍率也為之增加；同時(shí)基極的厚度可以減小，其摻雜濃度可以增加，因而反應(yīng)速率變大，所以異質(zhì)結(jié)構(gòu)得以制作快速晶體管。W.B.肖克萊于1951年提出這種晶體管的概念。HBT因具有快速、高放大倍率的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星通訊或是行動(dòng)電話等。

HBT主要由化合物半導(dǎo)體或合金半導(dǎo)體構(gòu)成，需要兩種禁帶寬度不同的材料分別作為發(fā)射區(qū)和基區(qū)，寬帶隙材料作發(fā)射區(qū)，窄帶隙材料作基區(qū)。而在DHBT(雙異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)時(shí)，集電區(qū)與基區(qū)材料帶隙也不相同。為更加有效地利用異質(zhì)結(jié)晶體管的特性，其結(jié)構(gòu)也不再是普通的平面結(jié)構(gòu)，而是采用雙平面結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye33basicsoficlayoutdesignHBT：HeterojunctionBipolarTransistor異質(zhì)結(jié)雙極晶體管

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管加偏后NPN型GaAlAs/GaAs晶體管的能帶圖NPN型GaAlAs/GaAs晶體管的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)剖面圖schoolofphye34basicsoficlayoutdesignHEMT：

high-electronmobilitytransistor高電子遷移率晶體管：也稱調(diào)制摻雜場效應(yīng)管（MODFET），又稱二維電子氣場效應(yīng)管（2DEGFET），它是利用調(diào)制摻雜方法，在異質(zhì)結(jié)界面形成的三角形勢阱中的二維電子氣作為溝道的場效應(yīng)晶體管，簡稱HEMT。

HEMT也是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，為MESFE的變型。此術(shù)語由富士通(Fujitsu)公司提出。特點(diǎn)：非常高的截止頻率fT；非常高的最大頻率fmax；短溝道效應(yīng)較??；噪聲性能好。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管schoolofphye35basicsoficlayoutdesignHEMT：應(yīng)用領(lǐng)域：微波低噪聲放大高速DIC

高速SRAM

低溫電路功率放大微波震蕩

因HEMT具有很高的響應(yīng)頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于無限與太空通訊以及天文觀測。半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-晶體管簡單HEMT的層結(jié)構(gòu)schoolofphye36basicsoficlayoutdesigninverter：半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-基本電路nwellCMOScrossviewschoolofphye37basicsoficlayoutdesigninverter：半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-基本電路CMOSinverterschematicandlayoutschoolofphye38basicsoficlayoutdesignNAND：半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-基本電路CMOSNANDschematicandlayoutschoolofphye39basicsoficlayoutdesignNOR：半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-基本電路CMOSNORschematicandlayoutschoolofphye40basicsoficlayoutdesigntransmissiongate：

半導(dǎo)體物理器件基礎(chǔ)-基本電路TGschematicandlayoutschoolofphye41basicsoficlayoutdesign制造工藝及測試-ICDesignFlow