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集成电路设计习题第一章1、按规模划分,集成电路的发展已经经历了哪几代?它的发展遵循了一条业界著名的定律,请说出是什么定律?答:集成电路发展历程:小规模集成(SSI)中规模集成(MSI)大规模集成(LSI)超大规模集成电路(VLSI)特大规模集成电路(ULSI)GSI SoC 。Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出摩尔定律。2、什么是无生产线集成电路设计?列出无生产线集成电路设计的特点和环境。答:无生产线集成电路设计:集成电路的设计、工艺制造和封装分立运行,集成电路设计单位根据代工单位的设计包进行电路的设计。特点:只进行集成电路设计,与工艺制造,封装分立运行。环境:IC产业生产能力剩余,客户需要更多的功能芯片设计。3、多项目晶圆(MPW)技术的特点是什么?对发展集成电路设计有什么意义?答:MPW的特点:把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上,然后按规则排列到一个晶圆上。意义:可以有效地降低成本,加速产品的市场化。4、集成电路设计需要哪4个方面的知识?答:系统知识:计算机、通信、信息、控制学科;电路知识:更多的知识、技术和经验;工具知识:任务和内容相应的软件工具;工艺知识:元器件的特性和模型、工艺原理和过程。第二章1、GaAs和InP材料各有哪些特点?答:砷化镓 (GaAs)特点:能工作在超高速超高频,载流子迁移率更高,近乎半绝缘的电阻率,fT可达150GHz,可制作发光器件,工作在更高的温度,更好的抗辐射性能。磷化铟 (InP):能够工作在超高速超高频;广泛应用于光纤通信系统中,覆盖了玻璃光纤的最小色散(1.3mm)和最小衰减(1.55mm)的两个窗口。2、在怎样的条件下金属与半导体形成欧姆接触?在怎样的条件下金属与半导体形成肖特基接触?答:欧姆接触:如果半导体掺杂浓度足够高,隧道效应抵消势垒的影响,形成了双向低欧姆电阻值。肖特基型接触:金属和掺杂浓度较低半导体结合面形成。类似PN结3、说出多晶硅在CMOS工艺中的作用。答:因为非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的,电阻率为300 Wcm 。而通过不同杂质的组合后,多晶硅的电阻率可被控制在5000.005 Wcm。因此,在MOS及双极器件中,多晶硅用于制作栅极、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、欧姆接触与肖特基接触各有什么特点?答:肖特基接触:肖特基结具有类似PN结的伏安特性。欧姆型接触:载流子可以容易地利用量子隧穿效应相对自由地传输。5、简述双极型晶体管和MOS晶体管的工作原理。答:双极型晶体管是把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化,即小电流控制大电流。而MOS晶体管是把输入电压的变化转化为输出电流的变化,即电压控制电流。第三章1、写出掩模在IC制造过程中的作用,比较整版掩模和单片掩模的区别,列出三种掩模的制造方法。答:作用:从物理上讲,任何半导体器件及IC都是一系列互相联系的基本单元的组合。要制作出这些结构需要一套掩膜。一个光学掩膜通常是一块涂着特定图案铬薄层的石英玻璃片,一层掩膜对应一块IC的一个工艺层。工艺流程中需要的一套掩膜必须在工艺流程开始之前制作出来。整版掩膜在一次曝光中,对应着一个芯片阵列的所有电路的图形都被映射到基片的光刻胶上。单片掩膜上的图案仅对应着基片上芯片阵列中的一个单元。上面的图案可通过步进曝光机映射到整个基片上。图案发生器制版,X射线制版,电子束扫描法制版。2、写出光刻的作用,光刻有哪两种曝光方式?答:作用:把掩膜上的图形转换成晶圆上的器件结构。曝光方式有接触式曝光与非接触式曝光两种。3、说出半导体工艺中掺杂的作用,举出两种掺杂的方法并比较其优缺点。 答:掺杂的目的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。是制作各种半导体器件和IC的基本工艺。经过掺杂,原材料的部分原子被杂质原子代替。热扩散掺杂和离子注入法。热扩散是最早也是最简单的掺杂工艺,主要用于Si工艺。与热扩散相比,离子注入法的优点如下:1.掺杂的过程可通过调整杂质剂量与能量来精确控制杂质分布。2.可进行小剂量的掺杂。3.可进行极小深度的掺杂。4.较低的工业温度,故光刻胶可用作掩膜。5.可供掺杂的离子种类较多,离子注入法也可用于制作隔离区。缺点:价格昂贵,大剂量注入时,半导体晶格会遭到严重破坏且难以恢复第四章1、什么是MOS工艺特征尺寸?答:工艺可以实现的平面结构的最小宽度,通常指最小栅长。2、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me大于空穴的迁移率mh,即有me2.5mh, 因而,N沟道FET的速度将比P沟道FET快2.5倍。3、简述CMOS工艺基本工艺流程。答:(1)衬底准备:衬底氧化,生长Si3N4;(2)光刻P阱,形成阱版,在P阱区腐蚀Si3N4,P阱注入;(3)光刻去胶,P阱扩散并生长SiO2;(4)腐蚀Si3N4,N阱注入并扩散;(5)有源区衬底氧化,生长Si3N4,有源区光刻和腐蚀,形成有源区板;(6)N管场注入光刻;(7)场区氧化:有源区Si3N4和SiO2腐蚀,栅氧化,沟道掺杂;(8)多晶硅淀积;(9)NMOS管光刻和注入B,形成N+板。(10) PMOS管光刻和注入P,形成P+板。(11)硅片表面生长SiO2薄膜;(12)接触孔光刻,接触孔腐蚀;(13)淀积铝,反刻铝,形成铝连接。4、常规N阱CMOS工艺需要哪几层掩膜?每层掩膜分别有什么作用?答:1号掩膜版:光刻N阱;2号掩膜版:光刻有源区;3号掩膜版:淀积和光刻多晶硅栅;4号掩膜版:P+离子参杂;5号掩膜版:N+离子参杂;6号掩膜版:光刻接触孔;7号掩膜版:光刻金属;8号掩膜版:光刻钝化层。第五章1、写出MOSFET的基本电流方程。答: 2、MOSFET的饱和电流取决于哪些参数?答:饱和电流取决于栅极宽度W,栅极长度L,栅-源之间压降,阈值电压,氧化层厚度,氧化层介电常数。3、什么是MOSFET的阈值电压?它受哪些因素的影响?答:阈值电压就是将栅极下面的Si表面从P型Si变成N型Si所必要的电压。影响它的因素有4个:材料的功函数之差,SiO2层中可以移动的正离子的影响,氧化层中固定电荷的影响,界面势阱的影响。4、说明L、W对MOSFET的速度、功耗、驱动能力的影响。答:L和W由设计者选定,通常选取L= Lmin,由此,设计者只需选取W。W影响MOSFET的速度,决定电路驱动能力和功耗。W Ids P,减小W引起MOSFET的电流控制能力和输出功率减小。5、说明MOSFET噪声的来源、成因及减小的方法。答:噪声来源:热噪声和闪烁噪声。热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成的,可通过增加MOS管的栅宽和偏置电流减少热噪声。闪烁噪声是由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起的,增加栅长栅宽可降低闪烁噪声。第六章1、芯片电容有几种实现结构?答: 利用二极管和三极管的结电容; 叉指金属结构; 金属-绝缘体-金属(MIM)结构; 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构。2、采用半导体材料实现电阻要注意哪些问题?答:精度、温度系数、寄生参数、尺寸、承受功耗以及匹配等方面问题。3、画出电阻的高频等效电路。4、芯片电感有几种实现结构?答:(1)集总电感 集总电感可以有下列两种形式:单匝线圈;圆形、方形或其他螺旋形多匝线圈;(2)传输线电感。5、微波集成电路设计中,场效应晶体管的栅极常常通过一段传输线接偏置电压。试解释其作用。阻抗匹配6、微带线传播TEM波的条件是什么?w,h0/(40r1/2)7、在芯片上设计微带线时,如何考虑信号完整性问题?答:为了保证模型的精确度和信号的完整性,需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。为了减少信号或电源引起的损耗以及为了减少芯片面积,大多数连线应该尽量短。应注意微带线的趋肤效应和寄生参数。在长信号线上,分布电阻电容带来延迟;而在微带线长距离并行或不同层导线交叉时,要考虑相互串扰问题。8、列出共面波导的特点。
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