IC有源元件与工艺流程介绍

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1、集成电路设计基础王志功王志功东南大学东南大学 无线电系无线电系2002004 4年年2第五章第五章 ICIC有源元件与工艺流程有源元件与工艺流程5.1 概述 5.2 双极性硅工艺5.3 HBT工艺 5.4 MESFET和HEMT工艺5.5 MOS工艺和相关的VLSI工艺5.6 PMOS工艺 5.7 NMOS工艺5.8 CMOS工艺 5.9 BiCMOS工艺3第五章第五章ICIC有源元件与工艺流程有源元件与工艺流程 IC 材料、工艺、器件和电路材料、工艺、器件和电路材料材料工艺工艺器件器件电路形式电路形式电路规模电路规模Si-BipolarD,BJT,R,C,LTTL,ECL,CMLLSINMO

2、SD,NMOS,R,CNMOS,SCFLVLSICMOSD,P/N-MOS,R,CCMOS,SCFLULSI,GSIBiCMOSD,BJT,P/N-MOS,R,CECL,CMOSVLSI,ULSISilicon硅硅Si/GeD,HBT/HEMTECL/SCFLLSIMESFETD,MESFET,R,C,LSCFLLSI,VLSIHEMTD,E/D-HEMT,R,C,LSCFLLSI,VLSIGaAs砷化镓砷化镓HBTD,HBT,R,C,LECL,CMLMSI,LSIHEMTD,HEMT,R,C,LSCFL,CMLMSIInP磷化铟磷化铟HBTD,HBT,R,C,LECL,CMLMSI4本资料来

3、源565.2 双极性硅工艺双极性硅工艺 n 早期的双极性硅工艺：NPN三极管p+p+n+n-pn+n+p-SiO2BECBuried Layer Metalpn-Isolationpn-Isolation75.2 双极性硅工艺双极性硅工艺n 先进的双极性硅工艺：NPN三极管85.3 HBT工艺工艺95.4 MESFET和和HEMT工艺工艺 n GaAs工艺：MESFET10n GaAs工艺：HEMT11n GaAs工艺：HEMT工艺的三明治结构12Main Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTs13与Si三极管相比，MESFET和HEMT的缺点为:

4、n跨导相对低;n阈值电压较敏感于有源层的垂直尺寸形状和掺杂程度；n驱动电流小 n由于跨导大，在整个晶圆上，BJT的阈值电压变化只有几毫伏，而MESFET，HEMT要高十倍多。145.5 MOS工艺和相关的工艺和相关的VLSI工艺工艺1516GateDrainSourcen+n+LeffLDrawnLDp-substrateSGDPolyOxideWn+n+17MOS工艺的特征尺寸(Feature Size)n特征尺寸:最小线宽最小栅长185.6 PMOS工艺工艺5.6.1早期的铝栅工艺早期的铝栅工艺n1970年前，标准的MOS工艺是铝栅P沟道。19铝栅铝栅PMOS工艺特点：工艺特点：l铝栅，栅

5、长为20mm。lN型衬底，p沟道。l氧化层厚1500。l电源电压为-12V。l速度低，最小门延迟约为80100ns。l集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。20Al栅MOS工艺缺点 制造源、漏极与制造栅极采用两次掩膜步骤不容易对齐。这好比彩色印刷中，各种颜色套印一样，不容易对齐。若对不齐，彩色图象就很难看。在MOS工艺中，不对齐的问题，不是图案难看的问题，也不仅仅是所构造的晶体管尺寸有误差、参数有误差的问题，而是可能引起沟道中断，无法形成沟道，无法做好晶体管的问题。21Al栅MOS工艺的栅极位错问题225.6.2 铝栅重叠设计铝栅重叠设计n栅极做得长，同S、D重叠一部分23铝栅重叠设计的缺

6、点铝栅重叠设计的缺点l CGS、CGD都增大了。l 加长了栅极，增大了管子尺寸，集成度降低。24克服Al栅MOS工艺缺点的根本方法 将两次MASK步骤合为一次。让D，S和G三个区域一次成形。这种方法被称为自对准技术。255.6.3 自对准技术与标准硅工艺自对准技术与标准硅工艺1970年，出现了硅栅工艺。多晶硅Polysilicon，原是绝缘体，经过重扩散，增加了载流子，可以变为导体，用作电极和电极引线。在硅栅工艺中，S，D，G是一次掩膜步骤形成的。先利用光阻胶保护，刻出栅极，再以多晶硅为掩膜，刻出S，D区域。那时的多晶硅还是绝缘体，或非良导体。经过扩散，杂质不仅进入硅中，形成了S和D，还进入多

7、晶硅，使它成为导电的栅极和栅极引线。26标准硅栅标准硅栅PMOS工艺工艺27硅栅工艺的优点：硅栅工艺的优点：l 自对准的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度。l无需重叠设计，减小了栅极尺寸，漏、源极尺寸也可以减小，即减小了晶体管尺寸，提高了速度，增加了集成度。n增加了电路的可靠性。285.7 NMOS工艺工艺 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。那么，为什么MOS发展早期不用NMOS工艺做集成电路呢？问题是NMOS工艺遇到了难关。所以,直到1972年突破了那些难关以后,MOS工艺才进入了NMOS时代。295.7.

8、1 了解了解NMOS工艺的意义工艺的意义目前CMOS工艺已在VLSI设计中占有压倒一切的优势.但了解NMOS工艺仍具有几方面的意义:n CMOS工艺是在PMOS和NMOS工艺的基础上发展起来的.n 从NMOS工艺开始讨论对于学习CMOS工艺起到循序渐进的作用.n NMOS电路技术和设计方法可以相当方便地移植到CMOS VLSI的设计.n GaAs逻辑电路的形式和众多电路的设计方法与NMOS工艺基本相同.305.7.2 增强型和耗尽性增强型和耗尽性MOSFET(Enhancement mode and depletion mode MOSFET)FET（Field Effect Transisi

9、tor）n按衬底材料区分有Si,GaAs,InPn按场形成结构区分有J/MOS/MESn按载流子类型区分有P/Nn按沟道形成方式区分有E/D31E-/D-NMOS和E-PMOS的电路符号NMOSEnhancementPMOSEnhancementNMOSDepletion32E-NMOS的结构示意图(增强型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)33D-NMOS的结构示意图(耗尽型 VD=0V,Vgs=Vsb=0V)34E-PMOS的结构示意图(增强型 VD=0V,Vgs=Vsb=0V)355.7.3 E-NMOS工作原理图工作原理图36E-NMOS工作原理图工作原理图37E-NMOS工作原理图工作

10、原理图385.7.4 NMOS工艺流程工艺流程39表表5.3 NMOS的掩膜和典型工艺流程的掩膜和典型工艺流程Mask确定对象工艺流程出发点P型掺杂硅晶圆(=75-200mm)，生长1mm厚氧化层,涂感光胶(Photoresist)1有源区紫外曝光使透光处光胶聚合,去除未聚合处(有源区)光胶,刻蚀(eching)氧化层,薄氧化层(thinox)形成,沉淀多晶硅层,涂感光胶2离子注入区曝光,除未聚合光胶,耗尽型 NMOS 有源区离子注入,沉淀多晶硅层,涂感光胶3多晶硅线条图形曝光,除未聚合光胶,多晶硅刻蚀,去除无多晶硅覆盖的薄氧化层，以多晶硅为掩膜进行 n 扩散，漏源区相对于栅结构自对准，再生长

11、厚氧化层,涂感光胶4接触孔窗口(Contacts cut)曝光,除未聚合光胶,接触孔刻蚀,淀积金属层,涂感光胶5金属层线条图形曝光,除未聚合光胶,金属层刻蚀,钝化玻璃层形成,涂感光胶6焊盘窗口(Bonding pads)曝光,除未聚合光胶,钝化玻璃层刻蚀40图5.17 NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图415.8 CMOS工艺工艺n进入80年代以来，CMOS IC以其近乎零的静态功耗而显示出优于NMOS，而更适于制造VLSI电路，加上工艺技术的发展，致使CMOS技术成为当前VLSI电路中应用最广泛的技术。425.8.1 1Poly-,P阱CMOS工艺流程43表5.4 一层多晶硅,一层金属,n

12、型衬底CMOS的掩膜和典型工艺流程掩模确定对象工艺流程衬底准备:形成厚氧化层,涂感光胶(Photo resist)1p 阱的区域厚氧化层刻蚀(eching),p 阱扩散(diffusion),涂感光胶2薄氧化层(thinox)区域 厚氧化层刻蚀,薄氧化层形成,沉淀多晶硅层,涂感光胶3多晶硅线条图形薄氧化层刻蚀4p 扩散区利用 p+mask 正片(positive)进行 p 扩散5n 扩散区利用 p+mask 负片(negative)进行 n 扩散,涂感光胶6接触孔窗口(Contacts cut)接触孔刻蚀,形成金属层,涂感光胶7金属层线条图形金属层刻蚀,钝化玻璃层形成,涂感光胶8焊盘窗口(Bo

13、nding pads)钝化玻璃层刻蚀445.8.2 典型典型1P2M n阱阱CMOS工艺主要步骤工艺主要步骤形成 n 阱区确定 nMOS 和 pMOS 有源区场和栅氧化（thinox）形成多晶硅并刻蚀成图案p+扩散n+扩散刻蚀接触孔沉积第一金属层并刻蚀成图案沉积第二金属层并刻蚀成图案形成钝化玻璃并刻蚀焊盘45CMOS反相器电路图和芯片剖面示意图46nCMOS的主要优点是集成密度高而功耗低，工作频率随着工艺技术的改进已接近TTL电路，但驱动能力尚不如双极型器件，所以近来又出现了在IC内部逻辑部分采用CMOS技术，而I/O缓冲及驱动部分使用双极型技术的一种称为BiCMOS的工艺技术。5.9 BiC

14、MOS工艺工艺47BiCMOS工艺的特点就是在CMOS工艺的基础上加入双极性器件的特殊的工序单单层层多多晶晶硅硅,单单层层金金属属 CMOS 双双极极性性器器件件的的附附加加工工序序l 形成 n 阱区形成掩埋集电极 n+层l 形成有源区l 形成沟道阻隔区形成深透集电极 n+层l 阈值电压调整l 确定多晶硅图形l 形成 n+有源区l 形成 p+有源区形成双极性晶体管 p+基区l 形成接触孔l 形成金属连线9、静夜四无邻，荒居旧业贫。22.8.2422.8.24Wednesday,August 24,202210、雨中黄叶树，灯下白头人。16:30:4116:30:4116:308/24/2022

15、 4:30:41 PM11、以我独沈久，愧君相见频。22.8.2416:30:4116:30Aug-2224-Aug-2212、故人江海别，几度隔山川。16:30:4116:30:4116:30Wednesday,August 24,202213、乍见翻疑梦，相悲各问年。22.8.2422.8.2416:30:4116:30:41August 24,202214、他乡生白发，旧国见青山。2022年8月24日星期三下午4时30分41秒16:30:4122.8.2415、比不了得就不比，得不到的就不要。2022年8月下午4时30分22.8.2416:30August 24,202216、行动出成果

16、，工作出财富。2022年8月24日星期三16时30分41秒16:30:4124 August 202217、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。下午4时30分41秒下午4时30分16:30:4122.8.249、没有失败，只有暂时停止成功！。22.8.2422.8.24Wednesday,August 24,202210、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。16:30:4116:30:4116:308/24/2022 4:30:41 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。22.8.2416:30:4116:30Aug-2224-Aug

17、-2212、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。16:30:4116:30:4116:30Wednesday,August 24,202213、不知香积寺，数里入云峰。22.8.2422.8.2416:30:4116:30:41August 24,202214、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年8月24日星期三下午4时30分41秒16:30:4122.8.2415、楚塞三湘接，荆门九派通。2022年8月下午4时30分22.8.2416:30August 24,202216、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2022年8月24日星期三16时30分41秒16:

18、30:4124 August 202217、空山新雨后，天气晚来秋。下午4时30分41秒下午4时30分16:30:4122.8.249、杨柳散和风，青山澹吾虑。22.8.2422.8.24Wednesday,August 24,202210、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。16:30:4116:30:4116:308/24/2022 4:30:41 PM11、越是没有本领的就越加自命不凡。22.8.2416:30:4116:30Aug-2224-Aug-2212、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。16:30:4116:30:4116:30Wednesday,August 24,2022

19、13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。22.8.2422.8.2416:30:4116:30:41August 24,202214、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年8月24日星期三下午4时30分41秒16:30:4122.8.2415、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2022年8月下午4时30分22.8.2416:30August 24,202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022年8月24日星期三16时30分41秒16:30:4124 August 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。下午4时30分41秒下午4时30分16:30:4122.8.24MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感 谢 您 的 下 载 观 看感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉