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1、东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所 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年年东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所第五章第五章 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 PMO
2、S工艺 5.7 NMOS工艺5.8 CMOS工艺 5.9 BiCMOS工艺2 2东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所第五章第五章ICIC有源元件与工艺流程有源元件与工艺流程 5.1 5.1 概述概述表表 5.15.13 3东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所图图5.1 5.1 几种几种ICIC工艺速度功耗区位图工艺速度功耗区位图4 4东东东东 南南南南
3、大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.2 双极性硅工艺双极性硅工艺 n早期的双极性硅工艺：NPN三极管图图5.25.25 5东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.2 双极性硅工艺双极性硅工艺n先进的双极性硅工艺：NPN三极管图图5.25.26 6东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路
4、路 研研研研 究究究究 所所所所5.3 HBT工艺工艺(a)(b)(a)(b)图图5.3 GaAs HBT5.3 GaAs HBT的剖面图的剖面图(a)(a)和能带结构和能带结构(b)(b)7 7东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.4 MESFET和和HEMT工艺工艺 nGaAs工艺：MESFET图图5.4 GaAs MESFET5.4 GaAs MESFET的基本器件结构的基本器件结构8 8东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光
5、 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所nGaAs工艺：HEMT图图5.5 5.5 简单简单HEMTHEMT的层结构的层结构9 9东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所nGaAsGaAs工艺：工艺：HEMTHEMT工艺的三明治结构工艺的三明治结构图图5.6 DPD-QW-HEMT5.6 DPD-QW-HEMT的层结构的层结构1010东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成
6、成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所Main Parameters of the 0.3 m Gate Length HEMTsHEMT-TypeHEMT-TypeParametersParametersE-HEMTE-HEMTD-HEMTD-HEMTV Vthth0.05 0.05 V V-0.7-0.7 V VI Idsmaxdsmax200 200 mA/mmmA/mm(V Vgsgs =0.8 =0.8 V)V)180 180 mA/mmmA/mm(V Vgsgs =0 =0 V)V)G Gmm500 500 mS/mmmS/mm400 400 mS/mmmS/mmR
7、Rs s0.6 0.6 WW mmmm0.6 0.6 WW mmmm f f T T45 45 GHzGHz40 40 GHzGHz表表 5.2:0.3 5.2:0.3 mm 栅长栅长HEMTHEMT的典型参数值的典型参数值1111东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所与Si三极管相比，MESFET和HEMT的缺点为: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，HEM
8、T要高十倍多。1212东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.5 MOS工艺和相关的工艺和相关的VLSI工艺工艺1313东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所图图5.7 MOS5.7 MOS工艺的分类工艺的分类 1414东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研
9、 究究究究 所所所所认识MOSFET线宽线宽(Linewidth),Linewidth),特征尺寸特征尺寸(Feature Size)Feature Size)指什么？指什么？1515东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所MOS工艺的特征尺寸(Feature Size)n特征尺寸:最小线宽最小栅长图图 5.85.81616东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所
10、所5.6 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。图图 5.95.91717东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所铝栅铝栅PMOS工艺特点：工艺特点：l铝栅，栅长为20m。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。1818东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集
11、集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所Al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。1919东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所Al栅MOS工艺的栅极位错问题图图 5.105.102020东
12、东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.6.2 铝栅重叠设计铝栅重叠设计n栅极做得长，同S、D重叠一部分图图 5.115.112121东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所铝栅重叠设计的缺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。2222东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光
13、光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所克服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。2323东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.6.3 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
14、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，还进入多晶硅，使它成为导电的栅极和栅极引线。2424东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所标准硅栅标准硅栅PMOS工艺工艺图图 5.125.122525东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所硅栅工艺的优点：硅栅工艺的
15、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。2626东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.7 NMOS工艺工艺 由于电子的迁移率e大于空穴的迁移率h，即有e2.5h,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
16、以后,MOS工艺才进入了NMOS时代。2727东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.7.1 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:nCMOS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.nNMOS电路技术和设计方法可以相当方便地移植到CMOS VLSI的设计.nGaAs逻辑电路的形式和众多电路的设计方法与NMOS工艺
17、基本相同.2828东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.7.2 增强型和耗尽性增强型和耗尽性MOSFET(Enhancement mode and depletion mode MOSFET)FET（Field Effect Transisitor）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/D2929东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电
18、电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所E-/D-NMOS和E-PMOS的电路符号图图 5.135.133030东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所E-NMOS的结构示意图(增强型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图图5.14 E-NMOS5.14 E-NMOS的结构示意图的结构示意图3131东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所
19、所所所D-NMOS的结构示意图(耗尽型 VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图图5.14 D-NMOS5.14 D-NMOS的结构示意图的结构示意图3232东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所E-PMOS的结构示意图(增强型 VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图图5.14 E-PMOS5.14 E-PMOS的结构示意图的结构示意图3333东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研
20、究究究究 所所所所5.7.3 E-NMOS工作原理图工作原理图VgsVtVgsVt，Vds=0VVds=0V图图5.15 5.15 不同电压情况下不同电压情况下E-NMOSE-NMOS的沟道变化的沟道变化3434东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所E-NMOS工作原理图工作原理图VgsVtVgsVt，VdsVgs-VtVdsVtVgsVt，VdsVgs-VtVdsVgs-Vt图图5.15 5.15 不同电压情况下不同电压情况下E-NMOSE-NMOS的沟道变化的沟道变化36
21、36东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.7.4 NMOS工艺流程工艺流程图图5.16 NMOS5.16 NMOS工艺的基本流程工艺的基本流程 3737东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所表表5.3 NMOS的掩膜和典型工艺流程的掩膜和典型工艺流程3838东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集
22、 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所图5.17 NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图3939东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.8 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。4040东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电
23、电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.8.1 1Poly-,P阱CMOS工艺流程图图 5.185.18 4141东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所表5.4 一层多晶硅,一层金属,n型衬底CMOS的掩膜和典型工艺流程4242东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所5.8.2 典型典型1P2M n阱阱CMOS工艺主要步骤工艺主要步骤图图5.195.19
24、 4343东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所CMOS反相器电路图和芯片剖面示意图图图 5.205.20 4444东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所nCMOS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
25、种称为BiCMOS的工艺技术。5.9 BiCMOS工艺工艺4545东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所BiCMOS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表表5.55.5 4646东东东东 南南南南 大大大大 学学学学 射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所BiCMOS工艺下NPN晶体管的俯视图和剖面图图图 5.215.21 4747东东东东 南南南南 大大大大 学学学学
26、射射射射 频频频频 与与与与 光光光光 电电电电 集集集集 成成成成 电电电电 路路路路 研研研研 究究究究 所所所所n9、静夜四无邻，荒居旧业贫。3月-233月-23Tuesday,March 14,2023n10、雨中黄叶树，灯下白头人。01:04:1001:04:1001:043/14/2023 1:04:10 AMn11、以我独沈久，愧君相见频。3月-2301:04:1001:04Mar-2314-Mar-23n12、故人江海别，几度隔山川。01:04:1001:04:1001:04Tuesday,March 14,2023n13、乍见翻疑梦，相悲各问年。3月-233月-2301:04
27、:1001:04:10March 14,2023n14、他乡生白发，旧国见青山。14 三月 20231:04:10 上午01:04:103月-23n15、比不了得就不比，得不到的就不要。三月 231:04 上午3月-2301:04March 14,2023n16、行动出成果，工作出财富。2023/3/14 1:04:1001:04:1014 March 2023n17、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。1:04:10 上午1:04 上午01:04:103月-23n9、没有失败，只有暂时停止成功！。3月-233月-23Tuesday,March 14,2023n1
28、0、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。01:04:1001:04:1001:043/14/2023 1:04:10 AMn11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。3月-2301:04:1001:04Mar-2314-Mar-23n12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。01:04:1001:04:1001:04Tuesday,March 14,2023n13、不知香积寺，数里入云峰。3月-233月-2301:04:1001:04:10March 14,2023n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 三月 20231:04:10
29、上午01:04:103月-23n15、楚塞三湘接，荆门九派通。三月 231:04 上午3月-2301:04March 14,2023n16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/3/14 1:04:1001:04:1014 March 2023n17、空山新雨后，天气晚来秋。1:04:10 上午1:04 上午01:04:103月-23n9、杨柳散和风，青山澹吾虑。3月-233月-23Tuesday,March 14,2023n10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。01:04:1001:04:1001:043/14/2023 1:04:10 AMn11、越是没有本领的就越加自命不凡。3
30、月-2301:04:1001:04Mar-2314-Mar-23n12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。01:04:1001:04:1001:04Tuesday,March 14,2023n13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。3月-233月-2301:04:1001:04:10March 14,2023n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 三月 20231:04:10 上午01:04:103月-23n15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。三月 231:04 上午3月-2301:04March 14,2023n16、业余生活要有意义，不要越轨。2023/3
31、/14 1:04:1001:04:1014 March 2023n17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。1:04:10 上午1:04 上午01:04:103月-23MOMODA POWERPOINTMOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,Lorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专专家告家告诉诉