集成电路设计基础复习教材

1、1、解释基本概念：集成电路，集成度，特征尺寸参考答案：A 、集成电路( IC： integrated circuit )是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管 等有源器件和电阻、 电容等无源器件， 按照一定的电路互连， “集成” 在一块半导体晶片 (如 硅或砷化镓)上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的集成块。 B、集成度是指在每个芯片中包含的元器件的数目。C、特征尺寸是代表工艺光刻条件所能达到的最小栅长(L )尺寸。2、写出下列英文缩写的全称： IC ，MOS ，VLSI ，SOC，DRC ，ERC ， LVS ， LPE 参考答案：IC： integrated circui

2、t ； MOS： metal oxide semiconductor ；VLSI ：very large scale integration ； SOC：system on chip；DRC ：design rule check；ERC：electrical rule check ；LVS ：layout versus schematic； LPE： layout parameter extraction3、试述集成电路的几种主要分类方法参考答案：集成电路的分类方法大致有五种：器件结构类型、 集成规模、 使用的基片材料、电路功 能以及应用领域。根据器件的结构类型，通常将其分为双极集成电路、 M

3、OS 集成电路和 Bi-MOS 集成电路。按集成规模可分为：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、 特大规模集成电路和巨大规模集成电路。 按基片结构形式，可分为 单片集成电路和混合集成电路两大类。 按电路的功能将其分为数字集成电路、 模拟集成电路 和数模混合集成电路。 按应用领域划分， 集成电路又可分为标准通用集成电路和专用集成电 路。4、试述“自顶向下”集成电路设计步骤。参考答案：“自顶向下” 的设计步骤中， 设计者首先需要进行行为设计以确定芯片的功能； 其次进 行结构设计； 接着是把各子单元转换成逻辑图或电路图； 最后将电路图转换成版图， 并经各 种验证后以标

4、准版图数据格式输出。5、比较标准单元法和门阵列法的差异。参考答案：标准单元方法设计与门阵列法基本的不同点有： (1) 在门阵列法中逻辑图是转换成门阵 列所具有的单元或宏单元，而标准单元法则转换成标准单元库中所具有的标准单元。 (2) 门 阵列设计时首先要选定某一种门复杂度的基片，因而门阵列的布局和布线是在最大的门数 目、最大的压焊块数目、 布线通道的间距都确定的前提下进行的。 标准单元法则不同， 它的 单元数、 压焊块数取决于具体设计的要求， 而且布线通道的间距是可变的， 当市线发生困难 时，通道间距可以随时加大，因而布局和布线是在一种不太受约束的条件下进行的。 （3） 门 阵列设计时只需要定

5、制部分掩膜版，而标准单元设计后需要定制所有的各层掩膜版。6、按规模划分，集成电路的发展已经历了哪几代？ 参考答案：按规模，集成电路的发展已经经历了：SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI 及GSI。7、试述集成电路制造中，导体、半导体和绝缘体各起什么作用。参考答案：导体：（ 1）构成低值电阻； （2）构成电容元件的极板； （ 3）构成电感元件的绕线；（ 4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（ 5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触； （6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连； （ 8）构成与外界焊接用的焊盘。半导体：（ 1）制作衬底材料； （2）

6、构成 MOS 管的源漏区，集成电路中的基本元件就是依据 半导体的特性构成。绝缘体：（ 1）构成电容的介质； （2）构成 MOS （金属 -氧化物 -半导体）器件的栅绝缘层； （3）构成元件和互连线之间的横向隔离； （ 4）构成工艺层面之间的垂直向隔离； （ 5） 构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。8、试述半导体特性及其应用。 参考答案：半导体的电导率在 10-22 S ·cm-110-14 S ·cm-1之间，导电性能介于导体与绝缘体之间，半 导体的特点是其电导率随外界条件的变化而急剧变化。温度变化、 光照， 掺入杂质等都能显著改变半导体的导电性能。半导体的广泛应用：

7、热敏电阻（测温度和自动控制） ；光敏电阻（自动控制） ；晶体管； 集成电路和超大规模集成电路等。9、列举两种典型的金属与半导体接触。 参考答案：一种是整流接触，即制成肖特基势垒二极管；另一种是非整流接触，即欧姆接触。10、解释欧姆型接触和肖特基型接触。参考答案：半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成欧姆 型接触或肖特基型接触。如果掺杂浓度比较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触。 如果掺杂浓度足够高，金属和半导体结合面形成欧姆型接触。11、试比较 p-n 结和肖特基结的主要异同点。参考答案：共同点：由载流子进行电流传导。不同点： p-n 结由少数载流子来进行电

8、流传导；肖特基结的主要传导机制是半导体中多 数载流子的热电子发射越过电势势垒而进入金属中。12、试述 PN 结的空间电荷区是如何形成的。参考答案：在 PN 结中，由于 N 区中有大量的自由电子，由 P 区扩散到 N 区的空穴将逐渐与 N 区 的自由电子复合。同样，由 N 区扩散到 P 区的自由电子也将逐渐与 P 区内的空穴复合。于 是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，称为耗尽层。13、MOS 器件结构的对称性使其源漏区可以互换，双极型器件是否也具有同样的特点？若 没有，请说明原因。参考答案：双极型器件的集电极与发射极不具有对称性，不能互换。虽然双极型器件原理图显示

9、 两个 PN 结是对称的， 但实际制造时发射区的掺杂浓度远远高于集电区， 而集电结的面积大 于发射结的面积。14、什么是 MOS 管的阈值电压。参考答案：引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压V T。15、讨论 MOS 器件源漏电流与其几何尺寸的关系。参考答案：根据本章给出的式（ 2.3）可知， MOS 器件的栅长 L 减小，源漏电流增大；栅宽 W 减 小，源漏电流减小。但同时减小 L 和 W ，理论上可保持源漏电流不变。16、MOS 管的跨导系数与哪些参数有关？ 参考答案：是 MOS 晶体管的跨导系数， 与工艺参数及器件的几何尺寸有关，其关系为：W tox ( L) ox17、试

10、画出 MOS 器件跨导与源漏电压的函数曲线。 参考答案：18、根据式（ 2.3），试推导 PMOS 器件在不同工作区域的理想表达式。 参考答案：0 （a） 截止区V2IdsVgs Vt Vds 2ds （ b）线性区2 Vgs Vt（ c）饱和区18、集成电路主要有哪些基本制造工艺。参考答案： 集成电路基本制造工艺包括：外延生长，掩模制造，光刻，刻蚀，掺杂，绝缘层形成， 金属层形成等。19、什么叫硅的热氧化？有哪几种热氧化技术？参考答案：硅的热氧化法是指硅与氧或水汽，在高温下经化学反应生成SiO2。根据氧化剂的不同，热氧化可分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。20、试述晶体外延的意义，列出三种外

11、延方法。参数答案： 晶体外延的意义是：用同质材料形成具有不同掺杂种类及浓度，因而具有不同性质的 晶体层。晶体外延的方法主要有：气相外延生长、金属有机物气相外延生长、分子束外延生长。21、解释：同质外延、异质外延。参考答案：外延生长时，当衬底与外延层为同种材料时称为同质外延，同质外延的目的是形成具有不同掺杂种类及浓度的晶体层， 因而它可以具有不同性能。 当两者材料相异时称异质外延， 异质外延用来形成各种异质结构的器件，如异质结晶体管（HBT ）。22、掩模在 IC 制造过程中有什么作用？ 参考答案：任何半导体器件及 IC 都是一系列相联系的基本单元的组合，如导体、半导体及在基片 不同层上形成的不

12、同尺寸的隔离材料等。要制作出这些结构需要一套掩模。因此掩模是 IC 制造过程中必须要经过的一个重要环节。23、比较整版掩模和单片掩模的区别，并列举三种掩模的制造方法。 参考答案：整版按统一的放大率印制，因此称为 1X 掩模。这种掩模在一次曝光中，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。单片版通常把实际电路放大 5 或 10 倍，故称作 5X 或 10X 掩模。这样的掩模上的图案仅对 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。掩模的制造方法： a、图案发生器法； b、 x 射线制版； c、电子束描述法。24、光刻的作用是什么？列举两种常用曝

13、光方式。参考答案： 光刻是集成电路加工过程中的重要工序，作用是把掩模版上的图形转换成晶圆上的器 件结构。曝光方式：接触式和非接触式25、简述光刻工艺步骤。参考答案： 涂光刻胶，曝光，显影，腐蚀，去光刻胶。26、光刻胶正胶和负胶的区别是什么？ 参考答案：正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应， 可溶于显影液， 未感光的 部分显影后仍然留在晶圆的表面， 它一般适合做长条形状； 负性光刻胶的未感光部分溶于显 影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面， 它一般适合做窗口结构， 如接触孔、 焊盘等。27、试述曝光时间对设计的图形的影响。参考答案： 曝光时间对设计图形的影响主要是：若曝光时间

14、较长，对于正性光刻胶则得到的图形 实际尺寸比预先设计的可能要小；对于负性光刻胶情况正相反。28、掺杂的目的是什么？举出两种掺杂方法并比较其优缺点。参考答案：掺杂的目的是形成特定导电能力的材料区域，包括N 型或 P 型半导体区域和绝缘层，以构成各种器件结构。掺杂的方法有：热扩散法掺杂和离子注入法掺杂。与热扩散法相比，离子注入法掺杂 的优点是： 可精确控制杂质分布， 掺杂纯度高、 均匀性好， 容易实现化合物半导体的掺杂等； 缺点是： 杂质离子对半导体晶格有损伤， 这些损伤在某些场合完全消除是无法实现的； 很浅 的和很深的注入分布都难以得到； 对高剂量的注入， 离子注入的产率要受到限制； 一般离子

15、注入的设备相当昂贵，29、IC 制造中常采用什么方法形成金属层？它的作用是什么？参考答案：金属层的形成主要采用物理汽相沉积 （Pysical Vapor Deposition ，简称 PVD） 技术。在半 导体工艺发展过程中，主要的 PVD 技术有蒸镀和溅镀两种。金属层的作用有： （1）形成器件本身的接触线； （2）形成器件间的互连线； （ 3）形成焊 盘。30、列举两种集成电路制造中的器件隔离结构，并比较其优缺点。参考答案：两种最常用的隔离结构：局部氧化隔离法隔离 （LOCOS） 和浅沟槽隔离 （STI） 。局部氧化隔离法会产生 “鸟嘴” 效应，影响器件的性能； 浅沟槽隔离法能有效地减小 “

16、鸟 嘴”效应。31、试述 “鸟嘴”效应是如何产生的？它对MOS 器件有什么影响？参考答案：通常， IC 器件之间通过氧化去来隔离的，在局部氧化隔离工艺中，由于氧化过程中的 渗透作用，造成了氧化区具有“鸟嘴形” 。这种形状造成了有源区的变化，器件的宽度不再 是版图上所画的。这就是所谓的“鸟嘴”效应。当器件尺寸缩小后，它将影响 MOS 器件的 开启电压。32、简述 CMOS 工艺的基本工艺流程（以 1× poly， 2× metal N 阱为例）。 参考答案：形成 N 阱区，确定 nMOS 和 pMOS 有源区，场和栅氧化，形成多晶硅并刻蚀成图案， P扩散， N 扩散，刻蚀接触

17、孔，沉淀第一金属层并刻蚀成图案，沉淀第二金属层并刻蚀成 图案，形成钝化玻璃并刻蚀焊盘。33、上题所述 N 阱 CMOS 工艺需要哪几层掩模？每层掩模分别有什么作用？ 参考答案：需要十层掩模，每层掩模及其作用如下：Mask1 ：形成 n 阱区Mask2 ：确定 NMOS 和 PMOS 有源区Mask3 ：场和栅氧化Mask4：形成多晶硅并刻蚀成图案Mask5：P扩散Mask6：N扩散Mask7：刻蚀接触孔Mask8：沉积第一层金属并刻蚀成图案Mask9：沉积第二金属并刻蚀成图案Mask10：形成钝化层并刻蚀焊盘 34、为什么在相同工艺条件和相同几何尺寸下NMOS 管速度要高于 PMOS 管？如果

18、相同栅长的 N 管和 P 管要达到相同的速度，理论上 N 管和 P 管要满足什么条件？ 参考答案：因为 NMOS 管的导电沟道是由带负电的电子累积而成， 而 PMOS 管的导电沟道是由带 正电的空穴累积而成，由于电子的迁移率大约是空穴迁移率的 2.5 倍，因此 NMOS 管速度 要高于 PMOS 管。如果相同栅长的 N 管和 P 管要达到相同的速度，从理论上讲， PMOS 管的栅宽应是 NMOS 管的 2.5 倍。35、双极、 CMO 和 BiCMOS 集成电路器件各有何特点。 参考答案：双极器件具有速度高、驱动能力强和低噪声等特性，但功耗大而且集成度低。 CMOS 器件具有低功耗、集成度高和

19、抗干扰能力强等优点，但它的速度较低、 驱动能力差，在具有 高速要求的环境下难以适应。所以结合了双极与 CMOS 工艺技术的 BiCMOS 工艺技术应运 而生。 BiCMOS 工艺技术是将双极与 CMOS 器件制作在同一芯片上，这样就结合了双极器 件的高跨导、强驱动和 CMOS 器件高集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，从而实现高速、高集成度、高性能的超大规模集成电路。 36、常规双极型工艺需要几次光刻？每次光刻分别有什么作用？ 参考答案：需要六次光刻。第一次光刻 -N+ 隐埋层扩散孔光刻；第二次光刻 -P+ 隔离扩散孔光刻 第三次光刻 -P 型基区扩散孔光刻；第四次光刻

20、-N+ 发射区扩散孔光刻；第五次光刻 -引线 接触孔光刻；第六次光刻 -金属化内连线光刻37、 BiCMOS 工艺技术常分为哪两类？它们各有什么特点？ 参考答案：BiCMOS 工艺技术大致可以分为两类：分别是以 CMOS 工艺为基础的 BiCMOS 工艺和 以双极工艺为基础的 BiCMOS 工艺。 一般来说， 以 CMOS 工艺为基础的 BiCMOS 工艺对保 证 CMOS 器件的性能比较有利，同样以双极工艺为基础的 BiCMOS 工艺对提高保证双极器 件的性能有利。影响 BiCMOS 器件性能的主要部分是双极部分，因此以双极工艺为基础的 BiCMOS 工艺用的较多。38、与以 P 阱 CMO

21、S 工艺为基础的 BiCMOS 工艺相比，以 N 阱 CMOS 工艺为基础的BiCMOS 工艺有什么特点？ 参考答案：优点包括： （ 1）工艺中添加了基区掺杂的工艺步骤，这样就形成了较薄的基区，提高 了 NPN 晶体管的性能； （ 2）制作 NPN 管的 N 阱将 NPN 管与衬底自然隔开，这样就使得 NPN 晶体管的各极均可以根据需要进行电路连接，增加了 NPN 晶体管应用的灵活性。它的 缺点是： NPN 管的集电极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力。如果以P+-Si 为衬底，并在 N 阱下设置 N+隐埋层，然后进行 P 型外延，可使 NPN 管的集电极串联电阻减小 5-6 倍，还可以

22、使 CMOS 器件的抗闩锁性能大大提高。39、目前 GaAs 工艺有哪几类？参考答案：GaAs工艺分为三大类： GaAs MESFET ，GaAs HEMT ，GaAs HBT40、 GaAs HEMT 与 MESFET 的主要区别是什么？ 参考答案：HEMT 也属于 FET 的一种，它有与 MESFET 相似的结构。 HEMT 与 MESFET 之间的 区别在于有源层。41、与 CMOS 工艺相比， GaAs 工艺有什么主要特点？ 参考答案：与 CMOS 工艺相比， GaAs 工艺具有速度高、噪声小、驱动能力强的优点。但其缺点是 价格高、功耗大、成品率低。42、已知突变 PN 结零偏势垒电容

23、为 3pF，内建势垒电压为 0.5V ，计算 10V 反偏电压时的 势垒电容。参考答案：pF 突变结， m 0.543、对于渐变结，上述势垒电容值是多少？ 参考答案：mC j C j0 1 VD31.1pF 渐变结， m 1/3j j0V03 1 103 1 0.544、什么是 MOSFET 的阈值电压，它受哪些因素影响？ 参考答案：阈值电压 Vt 是使半导体表面达到强反型所需加的栅极电压。它受衬底掺杂浓度、体效 应、半导体材料的费米势等的影响。45、试述 MOS 管沟道长度 L 和宽度 W 与阈值电压的关系。 参考答案：当 MOS 工艺发展到亚微米、深亚微米水平后，必须考虑二阶效应。这时，随

24、着沟道长度L 的减小，阈值电压将减小；随着沟道宽度 W的减小，阈值电压将增大。46、图 a 中 M1 和 M2 为某 CMOS 工艺中的两个 NMOS 管，M1 的 W/L 12m/6m， M2 的 W/L 4m/2m，其它物理参数及偏置均相同。图 b 中给出了 M1 的漏极电流 Id1 随 Vgs 的变化曲线，请画出 Id2 的大致变化，并说明 Id1 和 Id2 有什么不同，并解释不同 的主要原因。VDDId1Id2M2GNDb)a)参考答案：考虑 MOS 器件的窄沟道效应， 图M2 的阈值电压比 M1 的高，所以电流Id2 小于 Id1 。如47、什么是 MOS 器件的体效应？参考答案：

25、MOS 工艺中， N 管衬底接最低电位， P 管衬底接最高电位；但它们的源极却未必与衬 底电位相同，于是源衬存在电压差，这个电压差将影响阈值电压，这称为体效应。48、MOS 器件存在哪些二阶效应？分别是由什么原因引起的？ 参考答案：二阶效应包括：短沟道效应，窄沟道效应，迁移率退化，沟道长度调制效应，静电反馈 效应等。引起原因见 7.4 和 7.5 节。画出一个 PMOS 管叉指数为 2 的版图俯视图，要求使漏极电容最小。与相同大小的单指 NMOS 管相比，漏极电容、栅极电阻有什么变化？49、说明 MOS 器件噪声的来源、成因及减小方法。参考答案：MOS 器件噪声的来源： a、热噪声，由沟道内载

26、流子无规则运动引起，可通过增加MOS的栅宽和偏置电流来减小。 b、闪烁噪声，沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起， 同样通过增加 MOS 的栅宽来减小。50、MOS 器件按比例缩小后对器件特性有什么影响？ 参考答案：若 MOS 器件按比例因子 缩小后，器件速度得意提高、功耗减小、芯片面积减小集成 度提高。51、什么是电阻率？它的单位是什么（国际标准单位制）？ 参考答案：电阻率 是反映材料导电性能的物理量，与导线的长度、横截面积无关。 数值上等于 L=1m 、 A =1m 2时的 R 值， 越小说明材料导电性能越好。材料的电阻率与温度有关，金属 材料的电阻率随温度的升高而增大一般说温度升高1

27、，电阻率增大约 0.4 %。单位： ·cm52、试用电导率为 102/（·cm），厚1m的材料设计 1k的电阻， 设电阻宽 1m，求其长。 参考答案：hW因为： R L ，又电导率与电阻率互为倒数，所以：L RhW 1 103 1 10 4 1 10 4 102 103cm10 m53、什么是无源电阻？什么是有源电阻？举例说明。参考答案：无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻， 而有源电阻则是将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。PMOS例：无源电阻有：掺杂半导体、多晶硅电阻等；有源电阻有：工作在饱和区的 器件。

28、54、集成电容主要有几种结构？并比较不同结构的优缺点。参考答案：1）金属-绝缘体-金属（MIM）结构； 2）多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构； 3） 金属的叉指 结构 4） PN结电容； 5）MOS 电容。55、利用 2m×6m 的多晶硅栅极覆盖在 4m× 12m 薄氧化层的正中间构成一个MOS管，已知 Cox5× 104pF/ m2，估算栅极电容。参考答案：MOS 结构如图所示：2m所以栅极电容： Co5×104×2× 4 40pF56、试述两种传输线电感，比较其优缺点。参考答案：传输线电感可以有微带线（ Microstrip ）和

29、共面波导（ CPW ）两种实现方法。相对于微 带线， CPW 的优点是： 1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。2）在相邻的 CPW 之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。3）比金属孔有更低的接地电感。4）低的阻抗和速度色散。CPW 的缺点是：1）衰减相对高一些，在 50GHz 时， CPW 的衰减大约是 0.5dB/mm;2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。57、比较砷化镓和磷化铟等衬底与硅衬底上的电感等效电路，试分析两者存在差异的原因。 参考答案：砷化镓和磷化铟等衬底为半绝缘体， 硅衬底为半导体。 因此， 硅衬底上电感有衬底损耗

30、电阻和电容。58、版图设计的基本前提是什么？ 参考答案：版图设计的基本前提条件是：计算机辅助版图设计工具；版图设计规则；与设计相关 的工艺文件。59、规定版图几何设计规则的意义是什么？ 参考答案：版图几何设计规则为电路设计师和工艺工程师提供了一种必要的信息联系。 其主要目标 是获得有最佳成品率的电路，而几何尺寸则尽可能地小，同时又不影响电器电路的可靠性。60、从设计的观点出发，版图设计规则应包括哪些部分？参考答案：从设计的观点出发，设计规则可以分为三部分：（a）决定几何特征和图形的几何规定，这些规定保证各个图形被此之间具有正确的关 系对设计人员来说，这方面的重要考虑是， 每层掩模上的各个图形部

31、件应该相切，或者应 该保持互相分开； 不同掩模上的各个图形部件应该套合， 或者应该保持互相分开， 一切都符 合要求。这些几何关系在确定诸如晶体管纵横比或电容值等最坏情况设计参数方面也很重 要。（b）确定掩模制各和芯片制造中都需要的一组基本图形部件的强制性要求。典型的图形部件可能包括制造中所用的各块掩模精确套准所需的对准标志，把各个电路从硅片切下 来的划片间距以及供压焊封装用的压焊点尺寸。（c）定义设计人员设计时所用的电参数的范围。 通常，这些电参数包括晶体管增益，开 启电压、电容和电阻的数值。61、版图 DRC 、 ERC 和 LVS 的意义是什么？ 参考答案：DRC ：检查版图中同层、不同层间图形的线宽、间距是否满足工艺的最小尺寸要求。ERC：检查版图中是否存在开路、短路、浮点等违反电气规则的现象。LVS ：检查版图网表与电路原理图网表是否一致，即所画版图器件连接与相应的电路图连接关系的一致性检查62、编写 DRC 版图验证