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发表于 2014-11-29 14:48:11
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微电子技术 全真模拟试卷
作者： 曹哲
微电子技术 全真模拟试卷
1 名词解释：模拟集成电路，数字集成电路，本征半导体，本征载流子，等效电路模型。
数字集成电路：完全按照二进制逻辑进行运算的电路，用来传递和处理数字信号。
模拟集成电路：对模拟量进行获取、传递、处理和转换的电路。
本征半导体：没有杂质和缺陷的纯净半导体材料；纯净的半导体的导电能力很差。
本征载流子：就是本征半导体中的载流子（电子和空穴）。即不是由掺杂所产生出来的载流子。也就是说，本征载流子是由热激发——本征激发所产生出来的，即是价电子从价带跃迁到导带而产生出来的；它们是成对产生的，所以电子和空穴的浓度始终相等。
等效电路模型：等效电路-表征固态电子器件电特性的电路模型。
2用公式给出半导体材料的本征载流子浓度和温度的关系
3 微电子技术发展规律与主要特点
发展规律：摩尔定律，即集成电路的发展：工艺每三年升级一代，集成度每三年翻二番、特征线宽约缩小30％左右，逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30％。
主要特点：
l 特征尺寸越来越小（最小的MOS管栅长或者连线宽度）
l 芯片尺寸越来越大（die size）
l 单片上的晶体管数越来越多
l 时钟速度越来越快
l 电源电压越来越低
l 布线层数越来越多
l I/O引线越来越多
4 简要说明集成电路按规模分为几类。
SSI（Small Scale IC）：<100
MSI(Medium Scale IC): 100~1000
LSI(Large Scale IC)： 1000~105
VLSI(Very Large Scale IC)：105～107
ULSI(Ultra Large Scale IC)：107～109
GSI(Gigantic Scale IC)：>109
5 电流集边效应产生原因及克服措施
产生原因：在发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至为0）；于是，就造成发射结面上各点的电压不同（发射结周围边缘处的电压高，中心处的电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同——发射结周围边缘处的电流密度大，中心处的电流密度≈0，即发射极电流基本上都集中到了发射结的周围一圈，这就是发射极电流集边效应。
克服措施：①限制电流容量，使得不出现电流集边效应；②提高基区掺杂浓度，以减小基极电阻；③提高发射极周长/面积比。
6说明NMOS增强型晶体管结构，导电沟道形成过程。
由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管，该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。
N沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的N沟道MOS管。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
栅—源电压vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏—源极间形成N型导电沟道。
7画出双极型晶体管的纵向结构和横向结构示意图，标出各部分的名称。
8 简要叙述光刻工艺主要流程。
光刻工艺由涂胶，曝光，显影等步骤组成
a、清洁处理：使SiO2层表面干燥。
b、涂胶
正胶：光刻胶受光照的区域在显影时容易除去，典型的正性光刻胶材料是邻位醌叠氮基化合物。
负胶：光刻胶受光照的区域在显影后被保留，未曝光的胶被除去，典型的负性光刻胶材料是聚乙烯醇肉桂酸脂。
c、前烘（软烤）
曝光前烘烤（或称软烤）使光刻胶中的溶剂挥发，从而使胶膜成固态的薄膜。
d、曝光
曝光是受光照射的光刻胶膜起化学反应。
e、显影
把已曝光的硅晶片浸入显影液中，使胶膜中的潜影显示出来。对负胶来说，未受光照的那部分光刻胶在显影中被溶解掉。
f、坚膜
光刻在显影后，必须经再一次烘烤，将胶内残留的溶剂含量降低到最低，也称硬烤。使显影后的胶膜进一步变硬并与二氧化硅更好的粘附。
g) 腐蚀
刻蚀的主要作用是把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉。
h) 去胶
当刻蚀后，起刻蚀屏蔽作用的光刻胶的使命已完成，必须把光刻胶去除干净。
9简要叙述半导体掺杂工艺中常用的扩散方法。
一、液态源扩散
以保护气体（如氮气）通过含有杂质的液态源，携带杂质蒸汽进入高温下的扩散炉。在高温下，杂质蒸汽分解，与硅反应生成杂质原子，杂质原子经过硅片表面向内部扩散。
二、片状源扩散
片状源是一种与硅圆片相同的固体扩散源。
首先将源片和硅片相间地插在石英舟的刻槽内，然后在一定温度下扩散，杂质蒸汽与硅反应生成杂质原子向体内扩散，这步叫预淀积。
去掉源片，然后用氧气进行烘焙，改善硅片表面状态。
然后在较高温下进行再扩散。
三、固-固扩散
固-固扩散的杂质源是硅衬底上的固体薄膜，杂质就从这个固体薄膜扩散到衬底中去。
10 简要说明平面工艺中的横向扩散对集成电路的影响。
横向扩散的影响：使实际的扩散层的宽度大于氧化层窗口的宽度，最终的结结面形状不完全是平面。其影响：器件击穿电压。窗口距离间距
11 解释金属的电迁移现象和铝硅互融的问题，如何解决。
电迁移现象
金属化铝是一种多晶结构，铝在高电位处出现金属原子堆积，形成小丘、晶须，导致相邻金属走线短路；
而在低电位出现原子的短缺而形成空洞导致开路。
铝硅互溶问题
硅在铝中有溶解度，向硅内部渗透，易形成“尖刺”，使电路短路，对于浅PN结，比较严重。
为了解决电迁移现象：
（1）需对铝薄膜的结构作设计;
（2）采用Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金
（3）采用多层结构 （例如： Al/Ti/Al，Al-CrAl7-Al)
为了解决“尖刺”现象
（1）采用Al-Si 或Al-Si-Cu合金
（2）采用铝-掺杂多晶硅双层金属化结构，可以提供溶解于铝所需要的硅原子。
（3）采用铝阻挡层结构。在硅铝之间沉积一层薄金属层。
12 简要说明MOSFET常用的隔离工艺及如何克服寄生的MOS管效应。
是场区寄生MOS开启电压比源电压高10V，MOSFET不导通。做法：提高场区掺杂浓度。增加场区氧化层厚度。
13 N阱CMOS工艺中N沟MOS晶体管制备过程示意图，简要说明主要工艺流程。
（1）热氧化
（2）光刻
（3）刻蚀
（4）N型离子注入
（5）退火
（6）高温阱推进
14若函数 f=（AB+C）非，试用NMOS实现该逻辑电路，画出相应版图，并分析其逻辑关系和工作原理。
工作原理略。
15可编程可擦除ROM单元MNOS(EEPROM)的结构和原理，说明如何读写数据和擦除数据。
答案是网上找的。浮栅中没有电子注入时,在控制栅加电压时,浮栅中的电子跑到上层,下层出现空穴。由于感应,便会吸引电子,并开启沟道。
如果浮栅中有电子的注入时,即加大的管子的阈值电压,沟道处于关闭状态。这样就达成了开关功能。
如图2所示,这是EPROM的写入过程,在漏极加高压,电子从源极流向漏极沟道充分开启。在高压的作用下,电子的拉力加强,能量使电子的温度极度上升,变为热电子(hot electron)。这种电子几乎不受原子的振动作用引起的散射,在受控制栅的施加的高压时,热电子使能跃过SiO2的势垒,注入到浮栅中。
在没有别的外力的情况下,电子会很好的保持着。在需要消去电子时,利用紫外线进行照射,给电子足够的能量,逃逸出浮栅。
EEPROM的写入过程,是利用了隧道效应,即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。量子力学认为物理尺寸与电子自由程相当时,电子将呈现波动性,这里就是表明物体要足够的小。就pn结来看,当p和n的杂质浓度达到一定水平时,并且空间电荷极少时,电子就会因隧道效应向导带迁移。电子的能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”,较低的能带称为价带,较高的能带称为导带。电子到达较高的导带时就可以在原子间自由的运动,这种运动就是电流。EEPROM写入过程,如图3所示,根据隧道效应,包围浮栅的SiO2,必须极薄以降低势垒。
源漏极接地,处于导通状态。在控制栅上施加高于阈值电压的高压,以减少电场作用,吸引电子
穿越。
要达到消去电子的要求,EEPROM也是通过隧道效应达成的。如图4所示,在漏极加高压,控制栅为0V,翻转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。
16请画出由MOS电路组成的SRAM(静态随机存取存储器)单元的电路图，并简要介绍其如何读写数据。
写操作。
① 选中：在字线上加一个正电压的字脉冲，使T2 、T3 管导通，表示选中该单元
② 若写入“0”，无论原来是何种状态，只需使写“0”的位线BS0 电压降为地电位（加负电压的位脉冲），经导通的Ｔ2 管，迫使节点Ａ的电位等于地电位，A低B高，则T1 管截止而Ｔ0 管导通。
③ 若写入“1”，只需使写1的位线BS1 降为地电位，经导通的T3 管传给节点Ｂ， A低B高，则T0 管截止而T1 管导通。
写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程。
读操作
① 选中：在字线上加一个高电压的字脉冲，使T2 、T3 管导通，表示选中该单元把节点A、B分别连到位线。
② 对位线BS0，BS1两条外加正电压
③ 若单元存的是“0”，A低B高，节点Ａ是低电位，就会产生一个小电流，经BS0 线流向节点Ａ经T0 导通管入地。“0”位线上BS0 就从平时的高电位Ｖ下降一个很小的电压，经差动放大器检测出“０”信号。
④ 若单元存的是“1”，就会在位线BS1 中流入电流，在 BS1 位线上产生电压降，经差动放大器检测出读“1”信号。
读出过程中，位线变成了读出线。读取信息不影响触发器原来状态，故读出是非破坏性的读出。 |
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