集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)王志功東南大學(xué)無線電系2004年第五章 IC有源元件與工藝流程5.1概述5.2 雙極性硅工藝5.3HBT工藝5.4 MESFET和HEMT工藝5.5MOS工藝和相關(guān)的VLSI工藝5.6PMOS工藝5.7 NMOS工藝5.8CMOS工藝5.9BiCMOS工藝2第五章 IC有源元件與工藝流程

5.1概述表5.13圖5.1幾種IC工藝速度功耗區(qū)位圖45.2

雙極性硅工藝

早期的雙極性硅工藝：NPN三極管圖5.255.2

雙極性硅工藝先進(jìn)的雙極性硅工藝：NPN三極管圖5.265.3 HBT工藝(a)(b)圖5.3GaAsHBT的剖面圖(a)和能帶結(jié)構(gòu)(b)75.4

MESFET和HEMT工藝

GaAs工藝：MESFET圖5.4GaAsMESFET的基本器件結(jié)構(gòu)8GaAs工藝：HEMT圖5.5簡單HEMT的層結(jié)構(gòu)9GaAs工藝：HEMT工藝的三明治結(jié)構(gòu)圖5.6DPD-QW-HEMT的層結(jié)構(gòu)10MainParametersofthe0.3mmGateLengthHEMTsHEMT-TypeParametersE-HEMTD-HEMTVth0.05V-0.7VIdsmax200mA/mm(Vgs=0.8V)180mA/mm(Vgs=0V)Gm500mS/mm400mS/mmRs0.6W·mm0.6W·mmfT45GHz40GHz表5.2:0.3m柵長HEMT的典型參數(shù)值值11與Si三極管相比，，MESFET和HEMT的缺點(diǎn)為:跨導(dǎo)相對低;閾值電壓較敏敏感于有源層層的垂直尺寸寸形狀和摻雜雜程度；驅(qū)動電流小由于跨導(dǎo)大，，在整個晶圓圓上，BJT的閾值電壓變變化只有幾毫毫伏，而MESFET，HEMT要高十倍多。。125.5MOS工藝和相關(guān)的的VLSI工藝13圖5.7MOS工藝的分類14認(rèn)識MOSFET線寬(Linewidth),特征尺寸(FeatureSize)指什么？15MOS工藝的的特征尺寸(FeatureSize)特征尺寸:最小線寬最小柵長圖5.8165.6PMOS工藝5.6.1早期的鋁柵工工藝1970年前前，標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝是鋁柵P溝道。圖5.917鋁柵PMOS工藝特點(diǎn)：l鋁柵，柵長為為20m。lN型襯底，p溝道。l氧化層厚1500?。l電源電壓為-12V。l速度低，最小小門延遲約為為80100ns。l集成度低，只只能制作寄存存器等中規(guī)模模集成電路。。18Al柵MOS工藝缺點(diǎn)制造源、漏極極與制造柵極極采用兩次掩掩膜步驟不容容易對齊。這這好比彩色印印刷中，各種種顏色套印一一樣，不容易易對齊。若對對不齊，彩色色圖象就很難難看。在MOS工藝中，不對對齊的問題，，不是圖案難難看的問題，，也不僅僅是是所構(gòu)造的晶晶體管尺寸有有誤差、參數(shù)數(shù)有誤差的問問題，而是可可能引起溝道道中斷，無法法形成溝道，，無法做好晶晶體管的問題題。19Al柵MOS工藝的柵極極位錯問題圖5.10205.6.2鋁柵重疊設(shè)計(jì)計(jì)柵極做得長，，同S、D重重疊一部分圖5.1121鋁柵重疊設(shè)計(jì)計(jì)的缺點(diǎn)lCGS、CGD都增大了。l加長了柵極，，增大了管子子尺寸，集成成度降低。22克服Al柵MOS工藝缺缺點(diǎn)的根本方方法將兩次MASK步驟合為一次次。讓D，S和G三個區(qū)域一次次成形。這種種方法被稱為為自對準(zhǔn)技術(shù)。235.6.3自對準(zhǔn)技術(shù)與與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝藝1970年，，出現(xiàn)了硅柵柵工藝。多晶硅Polysilicon，原是絕緣體，，經(jīng)過重?cái)U(kuò)散散，增加了載載流子，可以以變?yōu)閷?dǎo)體，，用作電極和和電極引線。。在硅柵工藝中中，S，D，G是一次掩膜步步驟形成的。。先利用光阻阻膠保護(hù)，刻刻出柵極，再再以多晶硅為為掩膜，刻出出S，D區(qū)域。那時的的多晶硅還是是絕緣體，或或非良導(dǎo)體。。經(jīng)過擴(kuò)散，，雜質(zhì)不僅進(jìn)進(jìn)入硅中，形形成了S和D，還進(jìn)入多晶硅硅，使它成為為導(dǎo)電的柵極極和柵極引線線。24標(biāo)準(zhǔn)硅柵PMOS工藝圖5.1225硅柵工藝的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：l自對準(zhǔn)的，它它無需重疊設(shè)設(shè)計(jì)，減小了了電容，提高高了速度。l無需重疊設(shè)計(jì)計(jì)，減小了柵柵極尺寸，漏漏、源極尺寸寸也可以減小小，即減小了了晶體管尺寸寸，提高了速速度，增加了了集成度。增加了電路的的可靠性。265.7 NMOS工藝由于電子的遷遷移率e大于空穴的遷遷移率h，即有e2.5h,因而，N溝道FET的速度將比P溝道FET快2.5倍。。那么，為什什么MOS發(fā)展早期不用用NMOS工藝做集成電電路呢？問題題是NMOS工藝遇到到了難關(guān)關(guān)。所以以,直直到1972年年突破了了那些難難關(guān)以后后,MOS工藝才進(jìn)進(jìn)入了NMOS時代。275.7.1了解NMOS工藝的意意義目前CMOS工藝已在在VLSI設(shè)計(jì)中占占有壓倒倒一切的的優(yōu)勢.但了了解NMOS工藝仍具具有幾方方面的意意義:CMOS工藝是在在PMOS和NMOS工藝的基基礎(chǔ)上發(fā)發(fā)展起來來的.從NMOS工藝開始始討論對對于學(xué)習(xí)習(xí)CMOS工藝起到到循序漸漸進(jìn)的作作用.NMOS電路技術(shù)術(shù)和設(shè)計(jì)計(jì)方法可可以相當(dāng)當(dāng)方便地地移植到到CMOSVLSI的設(shè)計(jì).GaAs邏輯電路路的形式式和眾多多電路的的設(shè)計(jì)方方法與NMOS工藝基本本相同.285.7.2增強(qiáng)型和和耗盡性性MOSFET(EnhancementmodeanddepletionmodeMOSFET)FET（（FieldEffectTransisitor）按襯底材材料區(qū)分分有Si,GaAs,InP按場形成成結(jié)構(gòu)區(qū)區(qū)分有J/MOS/MES按載流子子類型區(qū)區(qū)分有P/N按溝道形形成方式式區(qū)分有有E/D29E-/D-NMOS和E-PMOS的電路符符號圖5.1330E-NMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖(增強(qiáng)型型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)圖5.14E-NMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖31D-NMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖(耗盡型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)圖5.14D-NMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖32E-PMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖(增強(qiáng)型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)圖5.14E-PMOS的結(jié)構(gòu)示示意圖335.7.3E-NMOS工作原理理圖Vgs>Vt，，Vds=0V圖5.15不同電壓壓情況下下E-NMOS的溝道變變化34E-NMOS工作原理理圖Vgs>Vt，，Vds<Vgs-Vt圖5.15不同電壓壓情況下下E-NMOS的溝道變變化35E-NMOS工作原理理圖Vgs>Vt，，Vds>Vgs-Vt圖5.15不同電壓壓情況下下E-NMOS的溝道變變化365.7.4NMOS工藝流程程圖5.16NMOS工藝的基基本流程程37表5.3NMOS的掩膜和和典型工工藝流程程38圖5.17NMOS反相器電電路圖和和芯片剖剖面示意意圖395.8CMOS工藝進(jìn)入80年代以以來，CMOSIC以其近乎乎零的靜靜態(tài)功耗耗而顯示示出優(yōu)于于NMOS，而更適于于制造VLSI電路，加加上工藝藝技術(shù)的的發(fā)展，，致使CMOS技術(shù)成為為當(dāng)前VLSI電路中應(yīng)應(yīng)用最廣廣泛的技技術(shù)。405.8.11Poly-,P阱CMOS工藝流程程圖5.1841表5.4一層多晶晶硅,一一層金屬屬,n型襯底CMOS的掩膜和和典型工工藝流程程425.8.2典型1P2Mn阱CMOS工藝主要要步驟圖5.1943CMOS反相器電電路圖和和芯片剖剖面示意意圖圖5.2044CMOS的主要優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是集集成密度度高而功功耗低，，工作頻頻率隨著著工藝技技術(shù)的改改進(jìn)已接接近TTL電路，但但驅(qū)動能能力尚不不如雙極極型器件件，所以以近來又又出現(xiàn)了了在IC內(nèi)部邏輯輯部分采采用CMOS技術(shù)，而而I/O緩沖及驅(qū)驅(qū)動部分分使用雙雙極型技技術(shù)的一一種稱為為BiCMOS的工藝技技術(shù)。5.9BiCMOS工藝45BiCMOS工藝的特特點(diǎn)就是是在CMOS工藝的基基礎(chǔ)上加加入雙極極性器件件的特殊殊的工序序表5.546BiCMOS工藝藝下下NPN晶體體管管的的俯俯視視圖圖和和剖剖面面圖圖圖5.21479、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。21:47:5621:47:5621:4712/7/20229:47:56PM11、以我獨(dú)沈久久，愧君相見見頻。。12月-2221:47:5621:47Dec-2207-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。21:47:5621:47:5621:47Wednesday,December7,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2221:47:5621:47:56December7,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國國見青山。。。07十二二月20229:47:56下下午21:47:5612月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:47下下午午12月月-2221:47December7,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財(cái)財(cái)富富。。。。2022/12/721:47:5621:47:5607December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時時，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點(diǎn)的的射線線向前前。。。9:47:56下下午9:47下下午午21:47:5612月月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、很多事情努努力了未必有有結(jié)果，但是是不努力卻什什么改變也沒沒有。。21:47:5721:47:5721:4712/7/20229:47:57PM11、成功功就是是日復(fù)復(fù)一日日那一一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小小努力力的積積累。。。12月月-2221:47:5721:47Dec-2207-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。21:47:5721:47:5721:47Wednesday,December7,202213、不知香積寺寺，數(shù)里入云云峰。。12月-2212月-2221:47:5721:47:57December7,202214、意意志志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。07十十二二月月20229:47:57下下午午21:47:5712月月-2215、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。十二月229:47下下午12月-2221:47December7,202216、少年十五二二十時，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/721:47:5721:47:5707December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來來秋。。。9:47:57下下午9:47下下午午21:47:5712月月-229、楊楊柳柳散散和和風(fēng)風(fēng)，，青青山山澹澹吾吾慮慮。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、閱讀讀一切切好書書如同同和過過去最最杰出出的人人談話話。21:47:5721:47:5721:4712/7/20229:47:57PM11、越是沒有本本領(lǐng)的就越加加自命不凡。。12月-2221:47:5721:47Dec-2207-Dec-2212、越是無能能的人，