哈工大微电子IC思考题、作业、提问总结1

1-1思考题1-1-1.典型PN结隔离工艺与分立器件NPN管制造工艺有什么不同（增加了哪些主要工序）？增加工序的的目的是什么？答：分立器件NPN管制造工艺：外延→一氧→一次光刻→B掺杂→二氧→二次光刻→P掺杂→三氧→三次光刻→金属化→四次光刻。典型PN结隔离工艺：氧化→埋层光刻→埋层扩散→外延→二氧→隔离光刻→隔离扩散、推进（氧化）→基区光刻→基区扩散、再分布（氧化）→发射区光刻→发射区扩散、氧化→引线孔光刻→淀积金属→反刻金属→淀积钝化层→光刻压焊点→合金化及后工序。增加的主要工序：埋层的光刻及扩散、隔离墙的光刻及扩散。目的：埋层：1、减小串联电阻；2、减小寄生PNP晶体管的影响。隔离墙：将N型外延层隔离成若干个“岛”，并且岛与岛间形成两个背靠背的反偏二极管，从而实现PN结隔离。1-1-2.NPN管的电极是如何引出的？集电极引出有什么特殊要求？答：集成电路中的各个电极均从上表面引出。要求：形成欧姆接触电极：金属与参杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。1-1-3.典型PN结隔离工艺中隔离扩散为什么放在基区扩散之前而不放在基区扩散或发射区扩散之后？答：由于隔离扩散深度较深，基区扩散深度相对较浅。放在基区扩散之前，以防后工序对隔离扩散区产生影响。1-1作业1-1-1.典型PN结隔离工艺中器件之间是如何实现隔离的？答：在N型外延层中进行隔离扩散，并且扩穿外延层，与P型衬底连通，从而将N型外延层划分为若干个“岛”；同时，将隔离区接最低电位，使岛与岛之间形成两个背靠背的反偏二极管，从而岛与岛互不干涉、互不影响。通过以上两点实现了器件间的隔离。1-1-2.设典型PN结隔离工艺允许的最小线宽、外延层的厚度和各相关图形间的间距都为W，画出最小面积NPN晶体管图形和剖面结构图，并分别估算W为1μm和0.5μm时，在1cm2的芯片面积上可以制作多少各这种相互隔离的最小面积晶体管。答：长为9W，宽为5W，面积min为45W2。计算略。1-2思考题1-2-1.在N阱硅栅CMOS基本工艺中做连线有源区和多晶硅可否交叉通过？答：不可以交叉通过。如果是多晶硅与有源区交叉，尚可利用硅栅自对准来注入有源区，有源区被多晶硅分隔成两个不相连通的有源区，符合工艺要求。但是，如果做金属连线有源区和多晶硅交叉，会引起金属线正下方亦有杂质注入，即两个本来分隔的有源区连通起来了，形成不了源区、漏区、沟道区，不符合工艺要求。1-2-2.在N阱硅栅CMOS基本工艺中有源区包括哪些区域，是如何刻蚀出来的？答：有源区包括：1，没有场区氧化层的区域；2，没有多晶硅氧化层的区域；3，没有表面光刻胶层的区域。（源区、漏区、沟道区、欧姆接触区）如何刻蚀出来：首先通过光刻场区、场区氧化、去氮化硅，确定场区氧化层的分布位置；再通过栅氧化、淀积多晶硅和反刻多晶硅，确定N+多晶硅的分布位置；最后通过光刻有源区，从而最终确定有源区位置。1-2-3.集成MOS管的衬底电极与分立MOS器件的有何不同？引出时要注意什么？答：不同点：集成MOS管的衬底电极都从上表面引出。而分立MOS器件衬底电极从下表面引出。注意点：由于P-Sub和N阱的掺杂浓度都较低，为了避免整流接触，电极引出处必须有浓掺杂区，尽量形成欧姆接触。1-2作业1-2-1.N阱硅栅CMOS基本工艺中的有源区包括哪些区域？答：在N阱硅栅CMOS基本工艺中有源区包括源区（S）、漏区（D）、沟道区（G）、欧姆接触区。1-2-2.形成MOS管源漏区需要哪些光刻掩膜版？源漏区注入时有哪些介质做掩蔽层？答：需要的掩膜版：N-阱光刻掩膜版、场区光刻掩膜版、多晶硅反刻掩膜版、Pplus光刻掩膜版、Nplus光刻掩膜版。掩蔽层介质：场区氧化层、多晶硅氧化层、表面光刻胶层。1-2-3.场区注入和局部氧化有哪些作用？答：场区注入：提高P型场区开启电压，既有利于减小表面场区氧化层台阶，场区氧化层可以适当减薄，又有利于抑制闩锁效应。局部氧化：1.提高场区阈值电压，防止寄生MOS管开启；2.场区氧化层一部分在硅衬底表面之下，使得高出表面部分的氧化层台阶变小，提高了金属布线的可靠性。1-3作业1-3-1.设计1.3.1中给出的以N阱CMOS工艺为基础的BICMOS工艺流程（见下图）。答：衬底准备（P型）→氧化→光刻n+埋层区→n+埋层扩散→清洁表面→生长p-外延→隔离氧化（薄氧+生长Si3N4）、光刻N-阱(N-well)→N-阱注入，N-阱推进，退火，清洁表面→长薄氧、长Si3N4、光刻场区(active反版)→场区氧化,清洁表面→氧化光刻P扩散区，P区扩散→栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂，反刻多晶→光刻P+active注入区（Pplus），P+注入（硅栅自对准）→光刻N+active注入区(Nplus)，N+注入（硅栅自对准）→清洁场区氧化层→绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)→蒸镀金属，反刻金属（metal)→清洁绝缘介质层→钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)。2-1思考题2-1-1.集成NPN管与分立NPN管有什么不同？答：（1）四层三结结构，构成了一个寄生的PNP晶体管（有源寄生）；（2）电极都从上表面引出，造成电极的串联电阻和电容增大（无源寄生）。2-1-2.有源寄生效应有何影响？如何减小或消除？答：影响：（1）NPN晶体管正向有源时，寄生PNP晶体管截止,等效为寄生电容；（2）NPN晶体管饱和或反向有源时，寄生PNP晶体管正向有源导通。有电流流向衬底，影响NPN晶体管的正常工作。措施：增加n+埋层：①加大了寄生PNP晶体管的基区宽度(到埋层的下边界)；②形成了寄生PNP晶体管基区减速场（埋层的上半区域）。2-1-3.无源寄生有何影响？答：集电极串联电阻影响电流放大系数；基极寄生电阻引起发射极电流集边效应，还影响高频增益和噪声性能；发射极串联电阻很小，一般可忽略。寄生电容包括发射结电容、集电结电容、隔离结电容，PN结电容包括势垒电容、扩散电容、底面和侧面电容，它们都影响着晶体管的频率参数。2-1-4.NPN管图形尺寸与其主要参数之间有什么关系？答：（1）电流容量与发射区条长的关系：“电流集边效应”使最大工作电流正比于有效发射极周长：IEmax=αLE-eff（2）饱和压降与集电极寄生电阻的关系：集电极串联电阻，使晶体管饱和压降提高：Vces=Vceso+Ic×rces（3）频率特性与寄生电阻、电容的关系:1/fT=2π*1.4*(reCe+Wb2/5Dnb+rces*Cc+δc/Vm+1/2rcesCjs)2-1-5.NPN管常用图形各自的特点是什么？答：（1）单基极条形：结构简单、面积小,寄生电容小,电流容量小,基极串联电阻大,集电极串联电阻大。（2）双基极条形:与单基极条形相比,基极串联电阻小,电流容量大,面积大,寄生电容大。（3）双基极双集电极形:与双基极条形相比,集电极串联电阻小,面积大,寄生电容大。（4）双射极双集电极形:与双基极双集电极形相比,集电极串联电阻小,面积大,寄生电容大。（5）马蹄形:电流容量大,集电极串联电阻小,基极串联电阻小,面积大,寄生电容大。（6）梳状:它源于基极集电极马蹄形，其主要特点是具有大的电流容量。通常基极和发射极可以都采用多直条形而集电极采用U型。电流容量大，集电极串联电阻小，基极串联电阻小，面积大，寄生电容大。2-1-6.超增益管BC结的偏压为什么要限制在0伏左右？答：为了减小基区宽度调制的影响。2-1-7.超增益管的发射区通常采用什么图形？为什么？答：采用圆形发射区。圆形周界短,受表面态影响小。2-1作业：2-1-1.分别画出单基极条形和双基极双集电极结构的普通NPN晶体管的平面图（版图）和剖面图，并详细说明埋层的作用。答：埋层作用：①埋层的存在加大了寄生PNP晶体管的基区宽度，基区直到埋层的下边界，基区宽度增加意味着复合损失的电子数目增加，减小了寄生PNP晶体管效应。②由于埋层的上半区域中，掺杂浓度的梯度从中央部分到上边缘处逐渐减小，这对于电子的作用效果与电子运动情况相反，阻碍电子运动，因而形成了寄生PNP晶体管基区减速场，减小了寄生PNP晶体管效应。③有掺杂的埋层置于C极与B极下部，减小了集电极串联电阻。2-1-2.画出单基极条形双硼扩散结构的超增益NPN晶体管的平面图（版图）和剖面图，并说明版图设计以及应用的注意事项。答：注意事项：①采用圆形发射区，周界短,受表面态影响小；②应用时BC结偏置限制在0V左右，以减小基区宽度调制效应的影响。【如果BC结偏置较大，当Vce增加时，集电结反偏增大；xmc增大，有效基区宽度减小，致使基区少子浓度梯度增加，电流增加；基区内复合减少，β*增大，所以随着Vce增大曲线分散（β增大）。原始Wb越小，Δxmc引起的相对变化ΔWb/Wb越大，曲线分散程度越厉害。如下图。】2-2思考题2-2-1.设n+埋层对横向PNP管有什么好处？答：1，使寄生PNP管的基区宽度增大了；2，减小了寄生PNP管的基区电阻，使其注入效率降低；3，埋层N+-BL上扩散形成了对空穴的减速场。综上所述，埋层工艺使寄生PNP管的βF下降，减小了纵向寄生PNP管的影响。减小了横向PNP管基区电阻减小。2-2-2.可控增益横向PNP管的原理是什么？答：可控增益横向PNP管是多集电极结构的应用。它的一部分C极与B极短接，即有电流ICO从集电区流向基区，电流放大系数β=IC/IB=IC/(IBO+ICO)≈IC/ICO=AC/ACO（即独立的C极和与B极短接的部分C极对应的有效发射区面积之比）。若这种可控增益横向PNP管出现小误差，可以用经验补偿。2-2-3.横向PNP管的发射区为何选用较小的面积？答：横向PNP管是横向工作模式，只有从发射区侧面注入的载流子才对横向PNP管的增益有效，而发射区底面注入的载流子则对寄生的纵向PNP管的β有贡献。为了提高横向注入的比例，要求侧面积增加，底面积减小，也就是使发射区的底面积与侧面积之比减小，从而使有效增益增加。2-2-4.衬底PNP管为什么不能加n+埋层？答：因为是衬底作为集电区，所以不存在有源寄生效应。而且衬底PNP是人有意做出来的，应该从工艺上加强纵向PNP特性，N+埋层对纵向PNP管性能有削弱作用，故不能加N+埋层。但是可以加P+埋层，减小基区宽度，形成对空穴的加速场。2-2-5.衬底PNP管的应用有什么局限性？答：衬底PNP管的集电区是整个集成电路的公共衬底，直流接最负电位，交流是接地的，所以使用范围很有限，只能用做集电极接最负电位的射极跟随器。2-2-6.为什么衬底PNP管的基区表面要覆盖大面积的n+扩散？答：增大基区扩散面积是为了减小表面态的影响。2-2作业2-2-1.画出横向PNP晶体管的平面图（版图）和剖面图，并详细说明埋层的作用。答：埋层作用：1，使寄生PNP管的基区宽度增大了；2，减小了寄生PNP管的基区电阻，使其注入效率降低；3，埋层N+-BL上扩散形成了对空穴的减速场。综上所述，埋层工艺使寄生PNP管的βF下降，减小了纵向寄生PNP管的影响。2-2-2.横向PNP晶体管在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使寄生晶体管的影响最大（详细说明原因）？答：寄生PNP管处于正向工作区时，对横向PNP管的电极产生分流影响；处于截止状态时等效于电容。要想使寄生晶体管的影响最大，只需令两个寄生晶体管都处于正向工作区。因为处于正向工作区的两个寄生PNP管分别对横向PNP管的发射极和集电极产生分流影响，导致横向PNP管注入效率下降，严重影响了横向PNP管的电流增益。欲使两个寄生晶体管都处于正向工作区，只需令横向PNP管的BC结与BE结都处于正向偏置，即横向PNP管工作在饱和区。综上所述，当横向PNP管工作于饱和区时，寄生PNP晶体管对其影响最大。2-3思考题2-3-1.MOS晶体管沟道长度和宽度是如何定义的?答：长度是指，与有源区重叠的多晶硅条的宽度；宽度是指，与多晶硅条重叠的有源区的宽度。2-3-2.MOS晶体管尺寸如何确定？答：器件尺寸主要是沟道长度L和沟道宽度W，其次是源漏区