高k材料用作纳米级MOS晶体管栅介质薄层上.doc

“半导体技术”2008年第一期

趋势与展望
1-高k材料用作纳米级MOs晶体管
栅介质薄层（上） 翁妍，汪辉

技术专栏（电路设计技术）
6-显示控制CMOS锁相环频率合成器设计
张涛，邹雪城，沈绪榜
11-高速低功耗钟控比较器的设计
李亮，减佳锋，徐振，等
15-基于TCAD软件的单层多晶EEPROM
器件模拟分析
邓勇，宣晓峰，许高斌，等
19-低功耗高动态范围CMOS图像传感器
的设计 朱青云，卢结成，张小波，等
22-宽调节范围的二级压控振荡器
倪丹，戴庆元，叶君青，等
25-基于MC68HC908RF2的
无线温度传感器 杜吉龙
30-用于时钟芯片的Pierce晶体振荡器设计刘惩，李冰
35-适用于半速率CDR改进型VCO的设计与实现 唐世民，何小威，陈吉华，等
39-基于宏模型的同步开关噪声仿真分析
蒋历国，施国勇
42-基准电流源的小信号分析与设计
冯春涛，冯全源，王错

现代管理
46-半导体测试调度研究
张智聪，郑力，张涛

器件制造与应用
51- SiGe HBT低频噪声PSPICE模拟分析
沙永萍，张万荣
56-逆压电极化效应对AlGaN/GaN异质结2DEG特性的影响
李若凡，武一宾，马永强，等
59-表面处理与离子注人对GaN HEMT
肖特基特性的影响
宋建博，杨瑞霞，张志国，等
62- 5 W Si衬底GaN基HEMT研究
刘晨晖，冯震，王勇，等
65-槽栅型肖特基势垒静电感应晶体管
杨涛，刘肃，李思渊，等

工艺技术与材料
68-VDSM集成电路互连特性及
RC延迟研究 邝嘉，黄河
73-磁控溅射的 TaN薄膜的扩散阻挡性能
张丛春，刘兴刚，石金川，等
77-退火温度对Cu膜微结构与电阻率
的影响 雏向东，赵海阔，吴学勇

封装、测试与设备
80- QPSK非平衡性调制技术 赵夕彬
83-可重构的低温共烧陶瓷电容高频等效电路模型 李小珍，邢孟江，朱樟明，等
86-塑封双极型功率晶体管的失效
与案例分析 霍玉杰，陈颖，谢劲松

趋势与展望

1— 高k材料用作纳米级MOS晶体管栅介质薄层（上）
翁妍，汪辉
（上海交通大学 微电子学院，上海200030）
摘要：随着45 nm 和32 nm 技术节点的来临，传统的SiO2 作为栅介质薄膜材料的厚度需缩小到1 nm 之下，材料的绝缘性、可靠性等受到了极大的挑战，已不能满足技术发展的要求。高k 材料成为代替SiO2作为栅介质薄层材料的不错选择，但是大多数高k 材料是离子金属氧化物，其基本物理和材料特性导致产生很多不可靠因素。从高k 材料的基本物理和材料特性角度，回顾了高k材料代替SiO2 用作纳米级MOS 晶体管栅介质薄层时产生的主要不可靠因素及根本原因。
关键词：栅介质薄层；高介电常数；可靠性

技术专栏（电路设计技术）

6— 显示控制CMOS锁相环频率合成器设计
张涛1, 邹雪城2, 沈绪榜3
（1. 武汉科技大学 信息学院，武汉430081；2. 华中科技大学 电子科学与技术系，武汉430074；
3. 中国航天科技集团 九院771所，西安710054）
摘要：从工程的角度出发，设计了一个应用于显示控制芯片的新颖实用的CMOS 锁相环频率合成器。详细论述了系统设计的关键问题，研究了电荷泵充放电电流匹配、精度和输出电压等工程设计问题，并对环路滤波器的计算和仿真以及压控振荡器的噪声性能进行了研究。采用1st Si 0.25 μm的CMOS 混合信号工艺对整个电路系统进行了带版图寄生的后仿真，仿真结果表明锁相环频率合成器设计的正确性。
关键词：锁相环；频率合成器；鉴频鉴相器；电荷泵；压控振荡器

11— 高速低功耗钟控比较器的设计
李亮1, 臧佳锋1, 徐振3, 韩郑生2, 钟传杰1
（1. 江南大学，江苏无锡214000；2. 中国科学院微电子研究所，北京100029；
3. 无锡友芯集成电路设计有限公司，江苏无锡214000）
摘要：在分析各种比较器的基础上，设计了一种高速低功耗的钟控比较器，着重优化了比较器的速度和功耗。在SMIC 0.35μm n阱CMOS工艺条件下，采用Cadence Spectre对电路进行了模拟。结果表明，比较器的最高工作频率为200 MHz，精度为0.3 mV，在3.3 V的电源电压下，功耗仅为0.4 mW。
关键词：钟控比较器；失调电压；正反馈；差分放大器
15— 基于TCAD软件的单层多晶EEPROM器件模拟分析
邓勇，宣晓峰，许高斌，杨明武
（合肥工业大学 理学院，合肥230009）
摘要：利用TCAD软件对单层多晶EEPROM 器件特性进行了模拟分析，介绍了单层多晶EEPROM 存储单元结构与原理的基础，针对TCAD软件中模拟分析单层多晶EEPROM器件特性时存在的困难，提出了一种两个MOS管外加电阻的等效模型来替代单层多晶EEPROM 存储单元结构进行等效模拟。通过编程模拟了单层多晶EEPROM 器件性能，模拟分析得到的特性曲线与理论曲线能较好吻合，验证了等效模型方案的可行性。
关键词：单层多晶EEPROM；TCAD软件；等效模型；器件模拟

19— 低功耗高动态范围CMOS图像传感器的设计
朱青云，卢结成，张小波，鄢铭
（中国科学技术大学 电子科学与技术系，合肥230027）
摘要：设计了一种低功耗高动态范围的CMOS图像传感器16×16 像素阵列电路，采用条件重置的方法，钟控比较器的低功耗设计及相关时序电路的优化，在扩展CMOS 图像传感器的动态范围下，极大地降低了系统的功耗。实验表明，基于标准CSM 0.35 μm 2P4M CMOS 工艺，用HSPICE 仿真，动态范围最大可以达到普通传感器的4倍，在3.3 V下每列功耗仅为6.6 μW。
关键词：低功耗；高动态范围；CMOS 图像传感器；时序优化

22— 宽调节范围的二级压控振荡器
倪丹，戴庆元，叶君青，程嘉，林佳明
（上海交通大学 微纳科学研究院，上海200030）
摘要：介绍了一种具有较宽频率调节范围的二级压控振荡器（VCO），调节频率达80 %以上。在延时单元中利用传输门来控制振荡频率，通过理论推导和仿真证明了所采用传输门的等效电导随着控制电压线性变化。同时通过数模信号控制的方法优化了VCO的压控灵敏度KV。采用TSMC 0.25 μm CMOS工艺参数进行了仿真，在KV保持在300 MHz/V左右时，频率调节范围为
200 MHz～1.85GHz。
关键词：传输门；二级压控振荡器；数模信号控制

25— 基于MC68HC908RF2的无线温度传感器
杜吉龙
（北京机械工业自动化研究所，北京100011）
摘要：针对不能直接布线的旋转设备的温度检测问题，设计了一款低成本、微功耗的无线温度传感器。详细阐述了实现方法和设计要点，对系统中采用的关键元器件进行了介绍，给出了系统的硬件结构及软件流程图。设计中充分利用了各芯片的低功耗特性，有效地延长了电池的使用时间。实验证明，此传感器具有良好的可靠性和性价比，有广阔的应用前景。
关键词：无线传感器；MC68HC908RF2；温度传感器；DS18B20

30— 用于时钟芯片的Pierce晶体振荡器设计
刘惩，李冰
（东南大学 集成电路学院，南京210096）
摘要：分析了Pierce 晶体振荡器的起振条件以及传统结构的局限性。基于CSMC 0.5μm CMOS工艺设计实现了一种应用于时钟芯片的32.768 kHz的Pierce晶体振荡器电路。采用自动增益控制（AGC）结构，提高了频率稳定性，降低了功耗；使用单位增益放大器稳定静态工作点，有效地减小了版图的面积。通过Spectre对电路进行仿真，结果显示，电源电压在1.5～5.5 V电路输出频率都有较好的精度，最大的频率误差为0.085 %，阿伦方差为2×10-8/s，在3 V电源电压下，静态平均电流仅300 nA，版图面积为300 μm×150 μm，满足时钟芯片低功耗、高稳定性、较宽的电源适用范围和节约版图面积的要求。
关键词：Pierce晶体振荡器；自动增益控制；单位增益放大器；时钟芯片；低功耗

35— 适用于半速率CDR改进型VCO的设计与实现
唐世民1,2, 何小威2, 陈吉华2, 陈怒兴2
（1. 西南电子电信研究所，成都610041；
2. 国防科技大学 计算机学院 微电子与微处理器研究所，长沙410073）
摘要：在0.13 μm 数字CMOS工艺下设计实现了一种改进型的差分振荡器电路，该电路采用四级环形结构，其中心工作频率为1.25 GHz，版图面积为50μm×50μm，工作范围1.1～1.4 GHz，VCO的增益约为300 MHz/V，在1.2 V电源电压下、工作频率为1.25 GHz时的平均功耗约为10 mW。版图后模拟结果表明，该VCO输出的四相时钟信号间隔均匀，占空比接近50 %，可适用于基于PLL的2.5 Gbps的半速率时钟数据恢复电路。
关键词：压控振荡器；时钟数据恢复；半速率

39— 基于宏模型的同步开关噪声仿真分析
蒋历国，施国勇
（上海交通大学 微电子学院，上海200240）
摘要：同步开关噪声（SSN）对具有上百个输入／输出端口的高性能FPGA系统具有很大的影响，已经成为深亚微米设计所必须考虑的主要问题之一。由于没有考虑电压反馈效应，IBIS模型在仿真SSN时，总是过高估计电源噪声、地噪声和静线噪声。为提高IBIS模型仿真SSN的精度提出了一种改进的方法，利用自研发的工具SSWI（SSN simulation with IBIS）获得了自动IBIS优化模型。利用美国北卡州立大学开发的工具S2IBIS直接从SPICE模型中提取了IBIS模型，与SPICE模型仿真结果验证了该方法的有效性，采用该法可以提高IBIS模型仿真SSN的精度60 % ~ 70 %。
关键词：IBIS模型；SPICE模型；信号完整性；同步开关噪声

42— 基准电流源的小信号分析与设计
冯春涛，冯全源，王锴
（西南交通大学 微电子研究所，成都610031）
摘要：研究了一种常用Widlar型基准电流源结构，分析电源电压对于基准电流的影响。通过引入小信号分析方法，建立基准电流源的小信号等效模型，运用反馈电路分析理论，得出基准电流与电源电压之间的关系。进而通过改进基准电流源的结构以增大反馈回路增益，减小电源电压对于工作点的影响，设计出一个具有高电源抑制比的基准电流源。该电路经由UMC 0.6 μm BiCMOS工艺仿真，当电源电压在2.7～5.5 V时，其电源抑制比高达193 dB，电压调整率仅为250×10-6 / V。
关键词：基准电流源；小信号分析；电源抑制比

现代管理

46— 半导体测试调度研究
张智聪1,2, 郑力1, 张涛3
（1. 清华大学 工业工程系，北京100084；2. 东莞理工学院 机电工程系，广东东莞523808；
3. 美国加州Spansion公司，Sunnyvale）
摘要：半导体测试是资金高度密集、涉及产品种类与设备种类繁多的半导体生产环节。半导体测试需要同时使用测试机、送料机台和使能器等资源。资源组合及其可加工的产品类型的对应关系错综复杂，大多数半导体测试调度问题是考虑多资源约束和作业换型时间的平行机调度问题。分别从问题和方法两个角度对半导体测试调度研究进行分析，归纳了附加资源充足的测试调
度和附加资源受限的测试调度两大类问题，并对目前半导体测试调度的各类方法进行总结对比，分析了各类方法的特点
关键词：半导体测试；调度；资源约束

器件制造与应用

51— SiGe HBT低频噪声PSPICE模拟分析
沙永萍，张万荣
（北京工业大学 电控学院，北京100022）
摘要：对SiGe HBT低频噪声的各噪声源进行了较全面的分析，据此建立了SPICE噪声等效电路模型，进一步用PSPICE软件对SiGe HBT 的低频噪声特性进行了仿真模拟。研究了频率、基极电阻、工作电流和温度等因素对低频噪声的影响。模拟结果表明，相较于Si BJT和GaAs HBT，SiGe HBT具有更好的低频噪声特性；在低频范围内，可通过减小基极电阻、减小工作电流密度或减小发射极面积、降低器件的工作温度等措施来有效改善SiGe HBT的低频噪声特性。所得结
果对SiGe HBT的设计和应用有重要意义。
关键词：SiGe HBT；低频噪声；PSPICE；模拟

56— 逆压电极化效应对AlGaN/GaN异质结
2DEG特性的影响
李若凡1,2, 武一宾2, 马永强1,2,3,张志国2, 杨瑞霞1
（1. 河北工业大学，天津300130； 2. 中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051；
3. 河北工程大学，河北邯郸056038）
摘要：从正-逆压电极化效应对GaN材料的影响出发，通过自洽求解一维Poisson Schrödinger方程，研究了逆压电极化效应对AlGaN/GaN异质结中2DEG浓度的影响。计算结果显示，逆压电极化明显影响2DEG性质，当Al组分x= 0.3, AlGaN层厚度为20 nm时，不考虑逆压电极化，2DEG浓度为1.53×1013cm-2；当等效外加电压分别为10和15 V时，2DEG浓度降低至1.04×1013cm-2和0.789×1013cm-2，可见当等效外电压由0～15 V变化时，2DEG浓度下降了48.4％。
关键词：氮化镓；Poisson Schrödinger方程；逆压电极化效应；2DEG浓度

59— 表面处理与离子注入对
GaN HEMT 肖特基特性的影响
宋建博1,2, 杨瑞霞1, 张志国2,3, 王勇2, 冯震2, 冯志宏2, 杨克武1,2
（1. 河北工业大学 信息工程学院，天津300130；2. 中国电子科技集团公司 第十三研究所，
石家庄050051；3. 西安电子科技大学 微电子学院，西安710071）
摘要：研究了不同的表面处理方法及离子注入对AlGaN/GaN HEMT肖特基特性的影响。在栅金属化前，采用不同的表面处理方法进行实验，发现通过表面处理，栅肖特基特性得到一定的改善，但还不能从根本上解决漏电大、理想因子偏高的问题。进一步实验发现，硼离子注入才是导致栅肖特基特性变差的主要因素，通过对离子注入的优化，器件栅金属化后的理想因子减小到1.6，栅源反向电压为-20 V时，反向泄漏电流为2.8×10-6 A。
关键词：表面处理；离子注入；泄漏电流；理想因子；肖特基特性

62— 5 W Si衬底GaN基HEMT研究
刘晨晖，冯震，王勇，冯志宏，默江辉，蔡树军
（中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051）
摘要：介绍了Si衬底上外延生长GaN基HEMT的制备及其直流特性与微波特性的研究结果：栅宽200 μm器件Vgs = 0 V 时饱和电流密度达0.975 A/mm，最大跨导240 mS/mm，夹断电压-4.5 V，栅漏击穿电压80 V；栅宽1 mm器件，在频率2 GHz下，工作电压Vds = 25 V时，连续波输出功率为5.0 W，功率增益为9 dB，功率附加效率为35 %。
关键词：硅衬底；微波特性；氮化镓基高电子迁移率晶体管

65— 槽栅型肖特基势垒静电感应晶体管
杨涛1, 刘肃1, 李思渊1, 王永顺2, 李海蓉1
（1. 兰州大学 物理科学与技术学院 微电子学研究所，兰州730000；
2. 兰州交通大学 电子与信息工程学院 电子科学与技术系，兰州730070）
摘要：传统的静电感应晶体管多采用扩硼的方法制备栅极区，这种工艺热预算较高，使得工艺复杂程度和生产成本较高，基于此提出并设计了一种新型的槽栅型肖特基势垒静电感应晶体管。使用V 形槽工艺，用溅射铝的方法代替扩硼工艺制备静电感应晶体管的栅极区，简化了工艺流程，使器件在调试过程中具有很大灵活性。使用PECVD（等离子体增强化学气相淀积）工艺，解决了槽栅结构静电感应晶体管的栅极区与源极区容易短路的问题。给出了详细的工艺流程。
关键词：静电感应晶体管；V形槽；等离子体增强化学气相淀积；肖特基势垒

工艺技术与材料

68— VDSM集成电路互连特性及RC延迟研究
邝嘉，黄河
（华南师范大学 计算机学院，广州510631）
摘要：利用多层金属导体寄生电容模型，详细分析了不同的金属互连线参数对寄生电容的影响，并采用一个闭合公式对超深亚微米级集成电路中的RC 互连延迟进行估计。结果表明，当金属导线的纵横比接近2 时，线间耦合电容对互连总电容的影响将占主导地位。在超深亚微米工艺条件下，当金属线宽和间距比例W/P的最优质值为0.5～0.6 时，计算的互连延迟为最小。此外，还给出了低介电常数材料对互连线电容和延迟的影响，为超深亚微米级的集成电路设计与实现提供有益的参考。
关键词：超深亚微米；寄生电容；互连；时间延迟

73— 磁控溅射的TaN薄膜的扩散阻挡性能
张丛春，刘兴刚，石金川，杨春生
（上海交通大学 微纳科学技术研究院，微米／纳米加工技术国家级重点实验，
薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海200030）
摘要：用反应磁控溅射方法在SiO2 / Si（100）衬底和Cu薄膜间溅射一层TaN 阻挡层，测试不同N气分压及热处理温度下Cu / TaN / SiO2 / Si薄膜的显微结构和电阻特性。同时利用微细加工技术加工了镂空的Cu互连叉指测试结构，研究了TaN薄膜在镂空的铜互连结构中的扩散阻挡性能。结果发现，在退火温度不超过400℃时，薄膜电阻率均低于80 μΩ·cm，而当溅射Ｎ分压超过10%，退火温度超过400℃时，薄膜电阻率很快上升。低N气分压下（≤10%）溅射时，即使退火温度达到600℃，薄膜电阻基本不变。
关键词：铜互连；TaN 阻挡层；磁控溅射；热稳定性

77— 退火温度对Cu膜微结构与电阻率的影响
雒向东，赵海阔，吴学勇
（兰州城市学院 培黎工程技术学院，兰州730070）
摘要：采用磁控溅射方法在玻璃衬底上淀积500 nm厚Cu膜，在不同温度下进行原位退火处理。用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及四探针测试仪分析了薄膜微结构与电阻率。随着 t 增加，应变能与表面能的竞争导致Cu（220）取向晶粒组成不断增加；薄膜晶粒不断长大且其几何形态在t＞500 ℃时由柱状晶向等轴晶结构转变；当t＜500 ℃时，随着薄膜电阻率ρ与表面粗糙度Rrms显著减小，而t＞500℃时，Rrms呈现增加趋势，而ρ变化不明显。
关键词：铜膜；微结构；电阻率；溅射
封装、测试与设备

80— QPSK非平衡性调制技术
赵夕彬
（中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051）
摘要：正交相移键控（QPSK）调制技术已经在工程中得到了广泛应用，然而随着电子对抗技术的发展，QPSK的非平衡调制技术水平也得到了相应的提高，以专门针对通信或定位中的QPSK调制进行干扰。介绍一种实用的QPSK非平衡性调制技术及其系统构成，并对单片DDS调制芯片进行分析，对系统配置及软件开发的主要步骤分别说明。采用该技术可以有效解决干扰信号形成，并且与计算机接口兼容性好，可靠性高，具有较强的工程实用性。
关键词：正交相移键控；非平衡；调制；干扰信号

83— 可重构的低温共烧陶瓷电容高频等效电路模型
李小珍，邢孟江，朱樟明，李跃进，杨银堂
（西安电子科技大学 微电子研究所，西安710071）
摘要：低温共烧陶瓷电容元件在微波多芯片组件设计中具有重要地位，其模型是系统仿真的关键。根据电容的物理结构特点，提出了一个可重构的高频电容模型，并给出其模型参数的计算公式。最后用ADS对双层电容和四层电容等效电路模型的S参数和用三维电磁场仿真软件的仿真结果做了对比，结果表明，其双层电容等效电路模型可以准确到4 GHz，其四层电容等效电路模型可以准确到2 GHz。采用等效电路的仿真时间比三维电磁场仿真软件约快60 倍。
关键词：低温共烧陶瓷；电容；等效电路；模型

86— 塑封双极型功率晶体管的失效与案例分析
霍玉杰，陈颖，谢劲松
（北京航空航天大学 可靠性工程研究所，北京100083）
摘要：由于其自身的结构与封装形式，塑封双极型功率管存在很多可靠性问题。介绍了塑封双极型功率晶体管可靠性问题及失效机理，包括封装缺陷、粘结失效以及由于温度变化而引起的热应力失效和由于吸入潮气而导致的腐蚀失效。通过剖析一晶体管的失效机理，给出了对此类晶体管失效分析的方法和思路。讨论了晶体管存在异物、芯片粘结失效和热应力失效等失效模式。
关键词：双极型；晶体管；失效机理；失效分析