郑州大学半导体集成电路复习总结

1基本概念集成电路是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体有源器件、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的电路。集成度每块集成电路芯片中包含的元器件数目。多项目晶圆技术多项目晶圆就是将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆片上流片，制造完成后，每个设计可以得到数十片芯片样品，这一数量对于原型设计阶段的实验、测试已经足够。而该次制造费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊，成本仅为单独进行原型制造成本的510，极大地降低了产品开发风险、培养集成电路设计人才的门槛和中小集成电路设计企业在起步时的门槛。无生产线集成电路设计代工厂加工厂的铸造车间，无自己产品。优良的加工技术包括设计和制造及优质的服务为客户提供加工服务。2微电子的战略地位对人类社会的巨大作用3集成电路分类按器件结构类型分类双极集成电路金属氧化物半导体MOS集成电路双极MOSBIMOS集成电路按集成度分类小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路特大规模集成电路巨大规模集成电路按使用的基片材料分类单片集成电路混合集成电路按电路的功能结构分类数字集成电路模拟集成电路数模混合集成电路按应用领域分类标准通用集成电路专用集成电路4集成电路按规模划分经历了哪几代遵循什么定律小规模集成（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ULSIGSI巨大规模集成SOC系统芯片。摩尔定律集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍。5IC（集成电路）、VLSI超大规模集成电路）、ULSI特大规模集成电路）6高K介质问题90NM工艺之前，晶体管之间的电流泄露问题并不是很严重，因为晶体管之间有较长的间距。但随着特征尺寸减小，不同晶体管间距变得很短，电流泄露现象变得异常严重，为了抵消泄露电流，芯片不得不要求更大的供电量，造成的直接后果就是芯片功耗增加。无论英特尔还是AMD（超微半导体），90纳米工艺制造的产品都没有在功耗方面表现出应有的优势，而按照惯例，每次新工艺都会让同型芯片的功耗降低30左右。解决采用高K值的氧化物材料来制造晶体管的栅极，英特尔称之为“高K门电介质”。这种材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到二氧化硅的10000倍，电子泄漏基本被阻断，这样就可以在绝缘层厚度降低到01纳米时还拥有良好的电子隔绝效果。7低K介质问题随着集成电路发展，为了实现更加复杂功能的集成电路，元器件数目将增多，他们之间的布线将越来越复杂，为了降低成本，就必须减小芯片面积，因此多层布线形式将成为有效的解由导线电阻R和层间寄生电容C共同产生的RC延迟决定着芯片的高速性能，电阻率低的铜互连有效降低了导线电阻，而层间寄生电容将成为限制集成电路频率提升的瓶颈决办法。解决由于寄生电容C正比于电路层隔绝介质的介电常数K，若使用低K值材料K3作为不同电路层的隔绝介质，问题便迎刃而解了。英特尔65纳米工艺采用了一种K值很低的含碳氧化物CDO。8方块电阻9电容的自谐振频率电子的费米分布函数TKEN0FE11EF10电容的尺寸11电感的自谐振频率厚衬底线圈的电容基本为导线电容，电容值较小，因此厚衬底的自谐振频率高；另外空气桥形式的寄生电容也小，自谐振频率高。12能带的概念孤立原子能级原子中电子分层绕核运动，从能量观点看，在各层轨道上运动的电子具有一定的能量，这些能量是不连续的，只能取某些确定的数值，称为能级，可以用电子的能级来描述这些材料；共有化运动原子彼此靠近时，原子的电子壳层交叠；每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，所以子壳层间电子可以相互转移运动。能带形成共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用，还要受到其他原的作用，这使得电子能量发生微小变化，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能带与之对应，所有这些能带称为允许带，相邻两个允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态，称为禁带。13晶体中电子的能量状态呈能带分布，那么晶体中电子本身又是如何按照能量分布的呢电子遵循费米狄拉克（FERMIDIRAC）统计分布规律。能量为E的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为为波尔兹曼常数0KKTEEXPEFF11空穴分布几率14费米能级物理意义晶体中费米能级在能带中的位置反映了各能级被电子占据的情况15N型半导体能带结构P型半导体能带结构16平衡PN结空间电荷区与自建电场形成过程相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓度差，P区和N区多子分别向对方扩散。界面P区侧留下固定离化受主负电荷，N区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区或者耗尽层。正负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场。自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动。随着扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强。两个相反的运动大小相等、方向相反；电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形成稳定分布。电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。17平衡PN结能带结构空间电荷区自建电场的存在，形成从中性P区到中性N区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从P区边界到N区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为X，那么X、能带结构如图示KTEEXPEFF1KTEEXPEFF118平衡PN结载流子分布几率电子分布几率空穴分布几率19平衡PN结正偏外电场将多数载流子推向空间电荷，空间电荷区变窄，空间电荷区内建电场被削弱。载流子扩散运动大于漂移运动，电子向P区扩散，空穴向N区扩散。发生非平衡少子注入。破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；边界处非平衡少数载流子向体内扩散；非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。被复合多子从外电极提供，构成正向（扩散）电流。20平衡PN结反偏外电场与内建电场方向相同，排斥多数载流子的扩散，使得空间电荷区加宽，内电场加强。内电场加强了少数载流子漂移运动，空间电荷区及边界少子浓度低于平衡值。扩散长度内产生电子空穴对；产生的多子漂移向电极；产生的少子向XM内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极形成反向（漂移）电流。因为多数载流子被阻挡，所以无大电流；主要是少数载流子的反向漂移，而少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，反向抽取认为PN结处于截止状态。21正向偏置能带结构电压为VF中性N区能带相对P区上移，势垒高度下降QVFQVBIVF。22反向偏置电压为VRVR0中性N区能带相对P区下降，势垒高度上升Q|VR|QVBIVR。23非平衡PN结载流子分布正偏空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移；载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；边界处非平衡少数载流子向体内扩散；边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。反偏空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动；载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值；中性区平衡少子向空间电荷区内扩散；使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值；载流子低于平衡值就要有产生；扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏载流子达稳定分布。24PN结电流特性假设电压降在势垒区；小注入；略势垒区产生流。空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度相等；分别求出任一截面空穴流和电子流密度，二者之和则构成PN结电流密度忽略空间电荷区内载流子的产生和复合，即空间电荷区二侧边界处电子流密度与空穴流密度各自分别相等；PN结电流则可用P区侧边界电子流与N区侧边界空穴流密度之和表示。分别求解少子电子和少子空穴在其扩散区的载流子连续性方程，可得到非平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数根据扩散流方程，即可求得空间电荷区P区侧边界处的电子流密度，N区侧边界处处空穴流密度。25势垒电容空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化，这种现象与电容器的充放电过程相同体现为电容效应，称为PN结势垒电容。PN结单位面积势垒电容用CT表示。26扩散电容扩散区积累的非平衡少子电荷随外加偏置电压的变化而变化，体现为电容效应，该电容发生在扩散区称为扩散电容，用表示。27PN结等效电路势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容与扩散电容相并联；中性区及与外电极接触处存在电阻。28双极性晶体管载流子输运过程发射结正向偏置发射电子发射结正向偏置，外加电场有利于载流子的扩散运动，高掺杂发射区的多数载流子（电子）将向基区扩散（或注入）；同时，基区的多数载流子（空穴）也向发射区扩散并被发射区中电子复合。载流子在基区的传输与复合到达基区的一部分电子将与P型基区的多数载流子（空穴）复合，由于低掺杂的基区空穴浓度比较低，且基区很薄，所以到达基区的电子与空穴复合的机会很少，大多数电子在基区中继续传输，到达靠近集电结的一侧。集电结反向偏置收集电子由于集电结反向偏置，外电场的方向将阻止集电区的多数载流子（电子）向基区运动，但有利于将基区中扩散过来的电子，扫向集电区被集电极收集。29双极性晶体管电流放大能力分析晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件EXBX使发射效率尽可能接近于；WBLNB使基区输运系数接近于；发射结正偏，集电结反偏使载流子从发射区渡越至收集区晶体管共基极电流放大系数0（可以）接近于共射极电流放大系数0一般远大于；30影响晶体管直流电流放大系数的因素发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响由于发射结空间电荷区的复合作用，使电子在从发射区注入到基区之前，已有一部分在空间电荷区和空穴复合而转化为空穴电流，变为基极电流的一部分。这种复合减少了注入到基区的电子数，因而降低了发射结注射效率。发射区重掺杂对发射效率的影响往往通过提高发射区杂质浓度NE来提高发射效率。但是，过份地提高NE又会引起掺杂半导体简并，形成杂质能带，若杂质能带足够宽，它将与导带边相连接形成带尾。带尾伸入禁带，使得发射区有效禁带变窄，使得俄歇复合加强，这样导致发射效率降低。基区表面复合对电流放大系数的影响从发射区注入基区的电子，还有一部分流向表面，由于表面存在表面正电荷和界面态，所以在P型基区表面将形成附加的复合电流，称为基区表面复合电流。基区宽变效应对电流放大系数的影响基区宽变效应由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象；集电结反向偏压增加时，耗尽层扩大，并有部分向基区一侧扩展，使有效基区宽度减小，引起电流放大系数增大，特性曲线倾斜上升。大注入效应发射区注入基区的非平衡少子浓度NBX接近甚至超过基区多子浓度的现象。根据电荷中性近似，P区在发射结边界将存在过剩空穴，多子空穴浓度增加，会有更多的空穴注入到发射区。31异质结双极性晶体管优势电流增益高，可比SI同质结晶体管高104；特征频率FT和最高振荡频率FMAX高，可以是SI同质结晶体管的几倍十余倍；线性性度高；噪声小；大电流特性好。32金属半导体接触势垒接触欧姆接触33MOS工作原理在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略PN结的反向漏电流）。当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道，这时如果在漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。34场