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1、第第2 2章章双极集成电路器件工艺双极集成电路器件工艺2.1 双极型集成电路的制造工艺2.2 集成双极晶体管的寄生效应2.1 双极型集成双极型集成电路的基本制造工路的基本制造工艺第一块平面工艺集成电路专利2.1.1双极硅工艺双极硅工艺 早期的双极性硅工艺：NPN三极管先进的双极性硅工艺：NPN三极管NPN管的版图与剖面图埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线钝化窗口钝化窗口GND Vi Vo VDDTR（1）典型）典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程P-Sub衬底准备（衬底准备（P型）型）光刻光刻n+埋层区埋层区氧化氧化n+埋层扩散埋层扩散清洁表面清洁表
2、面P-Sub（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续1）生长生长n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+隔离区隔离区p+隔离扩散隔离扩散 p+隔离推进、氧化隔离推进、氧化N+N+N-N-（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续2）光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散硼扩散 氧化氧化（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续3）光刻磷扩散区光刻磷扩散区磷扩散磷扩散氧化氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续4）光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N
3、+N-N-P+P+P+PP（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续5）蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP（1）典型典型PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程（续（续6）钝化钝化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP光刻钝化窗口光刻钝化窗口后工序后工序（2）典型典型PN结隔离工艺结隔离工艺 光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线钝化窗口钝化窗口GND Vi Vo VDDTR（3）外延层电极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：欧姆接触电极：金属与参杂浓度较低的外延金属与参杂浓度较
4、低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）（金半接触势垒二极管）。因此，。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB（4）埋层的作用埋层的作用1.减小串联电阻减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N
5、+CECEBB2.减小寄生减小寄生pnp晶体管的影响晶体管的影响集成电路中的晶体管及其寄生效应 集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点（1）单基极条形）单基极条形结构简单、面积小结构简单、面积小寄生电容小寄生电容小电流容量小电流容量小基极串联电阻大基极串联电阻大集电极串联电阻大集电极串联电阻大P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB 集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点（2）双基极条形）双基极条形与单基极条形相比：与单基极条形相比：基极串联电阻小基极串联电阻小电流容量大电流容量大面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CEBP-
6、SubP+BN+集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点（3）双基极双集电极形）双基极双集电极形与双基极条形相比：与双基极条形相比：集电极串联电阻小集电极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点（4）双射极双集电极形）双射极双集电极形与双基极双与双基极双集电极集电极形相比：形相比：集电极串联电阻小集电极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE 集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形
7、及特点（5）马蹄形）马蹄形电流容量大电流容量大集电极串联电阻小集电极串联电阻小基极串联电阻小基极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大 集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点（6）梳状）梳状思考题思考题1.提高提高值的途径有哪些？为什么发射区要做值的途径有哪些？为什么发射区要做N+N+扩散，扩散，集电区要做集电区要做N-N-掺杂？掺杂？电流分配与控制 IE=IEN+IEP 且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ICBO IB=IEP+IBNICBOIE=IC+IBVBBVCC 提高提高NPNNPN管管值的途径值的途
8、径P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB提高发射区浓度（注意：提高发射区浓度（注意：重重掺杂理论）掺杂理论）降低基区浓度（同时采用高阻外延）降低基区浓度（同时采用高阻外延）减薄基区宽度减薄基区宽度 （加深发射结深度或（加深发射结深度或 减小集电结的深度）减小集电结的深度）选择高寿命材料选择高寿命材料,改善表面态改善表面态PN+N+P PN+N+双磷扩散结构双磷扩散结构N-epiP+PN+N+CE BP-SubN-epiP+P+PN+N+CE BN+N+普通普通NPN管管 超增益超增益NPN管管双硼扩散结构双硼扩散结构N-epiP+PN+N+CE BP-SubN-epiP+P+PN+N+C
9、E B普通普通NPN管管 超增益超增益NPN管管P超增益管的特点超增益管的特点P-SubN-epiP+P+PN+N+CEBPN+N+N+N+采用圆形发射区采用圆形发射区（周界短（周界短,受表面态受表面态影响小）影响小）应用时应用时BCBC结偏置限结偏置限制在制在0V0V左右（减小基左右（减小基区宽度调制的影响）区宽度调制的影响）双极集成电路中的基本器件是双极集成电路中的基本器件是NPN管，但在模拟电路中也往往需要管，但在模拟电路中也往往需要PNP管，管，因为集成电路的工艺主要因为集成电路的工艺主要 是针对大量应用的是针对大量应用的NPN晶体管设计的，因此在一般情况下，晶体管设计的，因此在一般情
10、况下，PNP管都是在与管都是在与NPN管制管制 造工艺兼容的情况下制造的。造工艺兼容的情况下制造的。在集成电路中常用的在集成电路中常用的PNP管主要有两大类：横向管主要有两大类：横向PNP管和衬底管和衬底PNP管。管。制作工艺与制作工艺与NPN管制作工艺完全兼管制作工艺完全兼 容，在进行容，在进行NPN管基区扩散的同时形管基区扩散的同时形成了成了PNP瞥的发射区和集电区。瞥的发射区和集电区。为了减小寄生为了减小寄生PNP管的管的影响，可影响，可 以从版图和工艺上以从版图和工艺上采取措施。采取措施。异质结双极晶体管（异质结双极晶体管（HBT）AlGaAs/GaAs基异质结异质结双极性晶体管(a)
11、(b)图4.3 GaAs HBT的剖面图(a)和能带结构(b)第第3章章 MOS集成电路的元件形成及其寄生效应集成电路的元件形成及其寄生效应图4.7 MOS工艺的分类 认识MOSFET线宽(Linewidth),特征尺寸(Feature Size)指什么？3.1 PMOS工艺工艺早期的铝栅工艺早期的铝栅工艺1970年前，标准的MOS工艺是铝栅P沟道。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。Al栅MOS工艺缺点制造源、漏极与制造栅极采
12、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。Al栅MOS工艺的栅极位错问题铝栅重叠设计铝栅重叠设计栅极做得长，同S、D重叠一部分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。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。自对准技术与标准硅工艺自
13、对准技术与标准硅工艺1970年，出现了硅栅工艺(采用了自对准技术）。多晶硅Polysilicon，原原是是绝绝缘缘体体，经过重扩散，增加了载流子，可可以以变变为为导导体体，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，还进入多晶硅，使它成为导电的栅极和栅极引线。标准硅栅标准硅栅PMOS工艺工艺硅栅工艺的优点：硅栅工艺的优点：l自自对对准准的，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，
14、即减小了晶体管尺寸，提高了速度，增加了集成度。增加了电路的可靠性。3.2 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年突破了那些难关以后,MOS工艺才进入了NMOS时代。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:CMOS工艺是在PMOS和NMOS工艺的基础上发展起来的.从NMOS工艺开始讨论对于学习CMOS工艺起到循序渐进的作
15、用.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.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.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）按衬底材料区分有Si,GaAs,InP按场形成结构区分有J/MOS/MES按载流子类型区分有P/N按沟道形成方式区分有 E/D3.3 CMOS工艺工艺进入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
16、使CMOS技术成为当前VLSI电路中应用最广泛的技术。CMOS工艺的标记特性 阱/金属层数/特征尺寸 P阱CMOS芯片剖面示意图 N阱CMOS芯片剖面示意图 N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程工艺主要流程1.1.衬底准备衬底准备P P+/P/P外延片外延片P P型单晶片型单晶片P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）2.氧化、光刻氧化、光刻N-阱阱(nwell)N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）3.N-阱注入，阱注入，N-阱推进，退火，清洁表面阱推进，退火，清洁表面N阱P-SubP-SubN阱 N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主
17、要流程（续）4.长薄氧、长氮化硅、光刻场区长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反反版版)P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）5.场区氧化（场区氧化（LOCOS）,清洁表面清洁表面(之前可做之前可做N管场区注入和管场区注入和P管场区注入，提高管场区注入，提高场开启；改善衬底和阱的接触，减少闩锁效应）场开启；改善衬底和阱的接触，减少闩锁效应）P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）6.栅氧化栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂，反掺杂，反刻多晶刻多晶（polysiliconpoly)（之前可作开启电压调整注（之前可
18、作开启电压调整注入）入）N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）7.P+active注入（注入（Pplus）（）（硅栅自对准）硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）8.N+active注入（注入（Nplus Pplus的反版）的反版）（硅栅自对准）硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）9.淀积淀积BPSG，光刻接触孔，光刻接触孔(contact)，回，回流流P-SubP-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）10.蒸镀金属
19、蒸镀金属1，反刻金属，反刻金属1（metal1)P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）11.绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)P-SubP-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）12.蒸镀金属蒸镀金属2，反刻金属，反刻金属2（metal2)P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺主要流程（续）工艺主要流程（续）13.钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)P-Sub N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺 光刻掩膜版汇总简图光刻掩膜版汇总简图N阱阱有源区有源区多晶多晶 Ppl
20、us Nplus引线孔引线孔金属金属1通孔通孔金属金属2钝化钝化寄生PNPN效应N wellP well CMOS反相器版图流程反相器版图流程(1)1.阱阱做做N阱和阱和P阱封闭图形，阱封闭图形，窗口注入形成窗口注入形成P管和管和N管的衬底管的衬底N diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2.有源区有源区做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、D、S、B区区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层P diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2.有源区有源区做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、D、S、B
21、区区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层Poly gate CMOS反相器版图流程反相器版图流程(3)3.多晶硅多晶硅做硅栅和多晶硅连线。做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅封闭图形处，保留多晶硅 N+implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4.有源区注入有源区注入P+，N+区（区（select)。P+implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4.有源区注入有源区注入P+、N+区（区（select)。contact CMOS反相器版图流程反相器版图流程(5)5.接触孔接触孔多晶硅，注入区和金属线多晶
22、硅，注入区和金属线1接触端子。接触端子。Metal 1 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(6)6.金属线金属线1做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝via CMOS反相器版图流程反相器版图流程(7)7.通孔通孔两层金属连线之间连接的端子两层金属连线之间连接的端子Metal 2 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(8)8.金属线金属线2做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝VDDGNDVDDGNDinverter：Schematic:Layout:inputoutputm1m2m2m1 CMOS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
23、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。4.4 BiCMOS工艺工艺 BiCMOS工艺技术大致可以分为两类：分别是以以CMOS工工艺艺为为基基础础的BiCMOS工艺和以以双双极极工工艺艺为为基基础础的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。BiCMO
24、S工艺下NPN晶体管的俯视图和剖面图A.以以P阱阱CMOS工艺为基础工艺为基础的的BiCMOS工艺工艺 图4.21 P阱CMOS-NPN结构剖面图 缺点:基区厚度太,使得电流增益变小B.以以N阱阱CMOS工艺为基础工艺为基础的的BiCMOS工艺工艺 图4.22 N阱CMOS-NPN体硅衬底结构剖面图 优缺点:基区厚度变薄,但是集电极串联电阻还是很大图4.23 N阱CMOS-NPN外延外延衬底结构剖面图 改进：N阱下设置N+隐埋层,并P型外延衬底,目的目的：减小集电极串联电阻，提高抗闩锁性能C.以双极性工艺为基础的以双极性工艺为基础的BiCMOS工艺工艺 图图4.24 P阱阱BiCMOS横向横向
25、纵向纵向外延外延埋层埋层高压高压大电流大电流 图4.25 以双极工艺为基础的双埋层双阱双阱Bi-CMOS工艺的器件结构剖面图 掩埋层掩埋层掩埋层掩埋层改进:可提高CMOS器件的性能9、静夜四无邻，荒居旧业贫。3月-233月-23Friday,March 17,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。06:17:5606:17:5606:173/17/2023 6:17:56 AM11、以我独沈久，愧君相见频。3月-2306:17:5606:17Mar-2317-Mar-2312、故人江海别，几度隔山川。06:17:5606:17:5606:17Friday,March 17,202313、乍见翻
26、疑梦，相悲各问年。3月-233月-2306:17:5706:17:57March 17,202314、他乡生白发，旧国见青山。17 三月 20236:17:57 上午06:17:573月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。三月 236:17 上午3月-2306:17March 17,202316、行动出成果，工作出财富。2023/3/17 6:17:5706:17:5717 March 202317、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。6:17:57 上午6:17 上午06:17:573月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。3月-233月-23Frid
27、ay,March 17,202310、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。06:17:5706:17:5706:173/17/2023 6:17:57 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。3月-2306:17:5706:17Mar-2317-Mar-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。06:17:5706:17:5706:17Friday,March 17,202313、不知香积寺，数里入云峰。3月-233月-2306:17:5706:17:57March 17,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 三月
28、20236:17:57 上午06:17:573月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。三月 236:17 上午3月-2306:17March 17,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/3/17 6:17:5706:17:5717 March 202317、空山新雨后，天气晚来秋。6:17:57 上午6:17 上午06:17:573月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。3月-233月-23Friday,March 17,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。06:17:5706:17:5706:173/17/2023 6:17:57 AM11、越是没有本领的就越加自
29、命不凡。3月-2306:17:5706:17Mar-2317-Mar-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。06:17:5706:17:5706:17Friday,March 17,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。3月-233月-2306:17:5706:17:57March 17,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 三月 20236:17:57 上午06:17:573月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。三月 236:17 上午3月-2306:17March 17,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/3/17 6:17:5706:17:5717 March 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。6:17:57 上午6:17 上午06:17:573月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉