集成电路作业.doc

2月29日 集成电路设计 第一次作业 课本25页第2、3、4、5、6、7、8题1、GaAs和InP材料各有哪些特点？砷化镓（GaAs）半导体材料与传统的硅材料相比：具有很高的饱和电子速率及高的电子移动率（约为硅材料的4倍）它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。GaAs具有宽禁带结构。磷化铟（InP）具有：电子极限漂移速度高。耐辐射性能好。导热好。与砷化镓半导体材料相比，它具有击穿电场、热导率、电子平均速度均高的特点。2、在怎样的条件下金属与半导体形成欧姆接触？在怎样的条件下经属于半导体形成肖特基接触？欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)半导体有高浓度的杂质掺入(N 10EXP12 cm-3)肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。势垒的存在才导致了大的界面电阻。与之对应的是欧姆接触，界面处势垒非常小或者是没有接触势垒。3、说出多晶硅在CMOS工艺中的作用在CMOS及双极器件中，多晶硅用制作栅极、形成源极与漏极（或双极器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等4、列出你知道的异质半导体材料系统GaAs和AlGaAs； InP和InGaAs；Si和SiGe；5、SOI材料是怎样形成的，有什么特点？SOI又称绝缘层上硅，一种新型结构的硅材料，通过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。SIMOX工艺流程：、在注入过程中，氧离子被注入圆片里，与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物。然而注入对圆片造成相当大的损坏，而二氧化硅沉淀物的均匀性也不好。随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致。这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性。晶片粘接工艺流程：第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步通过研磨、抛光及腐蚀来消薄其中一个圆片到所要求的厚度。SOI的技术优势：速度高；功耗低；集成密度高；成本低；抗辐照特性好。6、肖特基接触和欧姆型接触各有什么特点？肖特基接触：单向导电性；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；有较低的正向导通电压。欧姆型接触：欧姆接触的特点是不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度产生明显的改变。7、简述双极型晶体管和MOS晶体管的工作原理。双极型晶体管工作原理：由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状态：发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。MOS晶体管的工作原理：如果没有任何外加偏置电压，这时，从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅电极下没有导电沟道形成。如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。3月14日 第二次作业P37:55、说出半导体工艺中掺杂的作用，举例两种掺杂方法，并比较其优缺点。答：掺杂的作用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。杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。热扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。离子注入法的优点：精确控制杂质含量很好的杂质均匀性对杂质穿透深度有很好的控制。产生单一粒子束低温工艺注入的离子能穿过掩蔽膜无固溶度极限缺点：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热扩散法的优点：无损伤掺杂产率高 缺点：需要长时间驱入退火，可能获得低表面浓度低计量预淀积困难受到固溶度限制P57:2、3、4、5、6、72、比较CMOS工艺和GaAs工艺的特点答：GaAs潜在速度最高，而CMOS可以做到功耗最小。3、什么是MOS工艺的特征尺寸？答、所谓特征尺寸就是工艺可以实现的平面结构的最小尺寸，通常是指最窄的线宽。由于MOS的栅极通常采用最窄的线条来实现，特征尺寸往往就是沟道方向上栅极线条的宽度。4、为什么硅栅工艺取代铝栅工艺成为CMOS工艺的主流技术？答：硅栅工艺无需重叠设计，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。故硅栅工艺取代铝栅工艺成为CMOS工艺的主流技术。5、为什么在栅长相同的情况下NMOS管速度要高于PMOS管？答：由于电子的迁移率e大于空穴的迁移率h，即有e2.5h, 因而，N沟道FET的速度将比P沟道FET快2.5倍。6、简述CMOS工艺的基本工艺流程。答：以典型的n阱CMOS工艺主要步骤为例： 形成 n 阱区确定 nMOS 和 pMOS 有源区场和栅氧化（thinox）形成多晶硅并刻蚀成图案p+扩散n+扩散刻蚀接触孔沉积第一金属层并刻蚀成图案沉积第二金属层并刻蚀成图案形成钝化玻璃并刻蚀焊盘7、常规N阱CMOS工艺需要哪几层掩模？每层掩模分别有什么作用？在SiO2上涂光刻胶，光刻N阱掺杂窗口（一次光刻）。生长一层SiO2，再生长一层Si3N4。光刻场区（二次光刻）光刻多晶硅栅极（三次光刻） 光刻P+离子注入窗口（四次光刻）光刻N+离子注入窗口（五次光刻） 光刻接触孔（六次光刻）生长一层金属，光刻金属引线（七次光刻）P74：1、2、3、4、5、6、7、8、9、101、画出MOSFET的基本结构。2、 写出MOSFET的基本电流方程。3 、MOSFET的饱和电流取决于哪些参数？当Vgs-VT=Vds时，满足Ids达到最大值Idsmax，其值为: 4、 为什么说MOSFET是平方率器件？增强型MOSFET（E-MOSFET）的饱和源-漏电流表示式为 饱和电压(VGS-VT)就是沟道夹断时的源-漏电压。在MOSFET的转移特性（IDsatVGS）曲线上，E-MOSFET的饱和源-漏电流IDsat与饱和电压(VGS-VT)的关系即呈现为抛物线。导致出现这种平方关系的原因有二：沟道宽度越大，饱和源-漏电流越大，饱和电压也就越高；电流饱和就对应于沟道夹断，而夹断区即为耗尽层，其宽度与电压之间存在着平方根的关系，这就导致以上的平方结果。正因为MOSFET具有如此平方的电流-电压关系，所以常称其为平方率器件。 5、 什么是MOSFET的阈值电压?它受哪些因素影响。答：MOSFET表面呈现强反型、形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示。影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox（2）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响 6 、什么是MOS器件的体效应？答：通常，衬底是接地的，但源极未必接地,源极不接地时对VT值的影响称为体效应(Body Effect)。7 、说明L、W对MOSFET速度、功耗、驱动能力的影响。答：在一阶理论的设计方法中，总认为L、W是同步缩减的，是可以严格控制的。事实并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版图上所定义的L、W。原因之一在于制造误差；原因之二是L、W定义本身就不确切，不符合实际情况。氧化区具有鸟嘴形的形状和大小与氧化工艺中的参数有关，但是有一点是肯定的，器件尺寸，有源区的边沿更动了。器件的宽度不再是版图上所画的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区厚度的数量级。当器件尺寸还不是很小时，这个DW影响不大；当器件缩小后，这个DW是可观的，它影响了开启电压。另一方面，那个注入区也有影响。由于P+区是先做好的，后来在高温氧化时，这个P+区中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度Na，影响了开启电压。同时，扩散电容也增大了，N+区与P+区的击穿电压降低。另外，栅极长度L不等于原先版图上所绘制的Ldrawn，也减小了。Ldrawn是图上绘制的栅极长度。Lfinal是加工完后的实际栅极长度。Lfinal = Ldrawn-2DLpoly。尺寸缩小的原因是在蚀刻（etching）过程中，多晶硅（Ploy）被腐蚀掉了。另一方面，扩散区又延伸进去了，两边合起来延伸了2DLdiff，故沟道长度仅仅是，L = Ldrawn-2DLpoly-2DLdiff，这2DLdiff是重叠区，也增加了结电容。 DCgs = WDLdiffCox DCgd = WDLdiffCox 式中Cox是单位面积电容。8、 MOSFET按比例收缩后对器件的特性有什么影响？答：减小L和tox引起MOSFET的电流控制能力提高减小W引起MOSFET的电流控制能力和输出功率减小同时减小L，tox和W， 可保持Ids不变，但导致器件占用面积减小，电路集成度提高。9、 MOSFET存在哪些二阶效应？分别由什么原因引起的？二阶效应出于两种原因：1) 当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为5V，于是，平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。2) 当管子尺寸很小时，这些