1、Lesson 2,集成電路導(dǎo)論Introduction to Integrated Circuits,第2章 半導(dǎo)體基本特性與晶體管工作原理,集成電路導(dǎo)論Introduction to Integrated Circuits,2.3 二極管,3,二極管的電流與電壓特性,PN結(jié)二極管是一種最簡單的半導(dǎo)體器件。 二極管處于正向（P型區(qū)接正電壓，N型區(qū)接負電壓或者零電壓）時，有正向電流從P區(qū)流向N區(qū)，電流大小與外加正電壓呈指數(shù)關(guān)系。 二極管處于反向（P型區(qū)接負電壓，N型區(qū)接正電壓或者零電壓）時，有反向電流從N區(qū)流向P區(qū)，但這個反向電流非常小，以至可以忽略。 PN結(jié)二極管是一種單向?qū)щ娖骷?4,二極

2、管的電流與電壓特性,Is飽和電流 n 發(fā)射系數(shù)（用于描述空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，常規(guī)數(shù)值為1)。,二極管工作時管內(nèi)少數(shù)載流子的分布情況,正向偏置：外電場驅(qū)動少數(shù)載流子離開空間電荷區(qū) 方向偏置外電場驅(qū)動少數(shù)載流子向空間電荷區(qū)運動,6,擴散電容,正向偏置時，由于外電場作用，將P（N）區(qū)多數(shù)載流子驅(qū)動越過空間電荷區(qū)注入N（P）區(qū)，形成過剩少數(shù)載流子分布。 體現(xiàn)為電容效應(yīng)擴散電容（其作用比PN結(jié)電容大得多）,7,2.4 雙極型晶體管,雙極型晶體管簡稱三極管，由兩個PN結(jié)組合構(gòu)成。 三極管的特點是具有電流放大作用。 雙極型晶體管由兩種載流子（空穴與電子）同時參與導(dǎo)電。 雙極晶體管的兩個PN結(jié)背靠背離

3、得很近，實際上它們共用一層非常薄的半導(dǎo)體（基區(qū)）。 雙極型晶體管有兩種類型：PNP型基區(qū)為N型半導(dǎo)體NPN型基區(qū)為P型半導(dǎo)體,8,2.5 場效應(yīng)晶體管,場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor）包括結(jié)型場效應(yīng)管（Junction FET）金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor FET） 場效應(yīng)管導(dǎo)電不同于雙極型三極管，只有一種載流子參與導(dǎo)電（又稱單極性晶體管） 場效應(yīng)晶體管通過電壓改變內(nèi)部電場，實現(xiàn)對載流子運動的控制，是一種電壓控制型器件。,9,第3章 集成電路中的器件結(jié)構(gòu),集成電路導(dǎo)論Introduction to Integra

4、ted Circuits,本章教學(xué)內(nèi)容,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法 3.2 二極管的結(jié)構(gòu) 3.3 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu) 3.4 MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 3.5 電阻的結(jié)構(gòu) 3.6 電容的結(jié)構(gòu) 3.7 接觸孔、通孔和互連線,11,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,必要性： 一塊集成電路中含有百萬以至千萬個二極管、晶體管以及電阻、電容等器件，而且它們都是做在一個硅芯片上，即共有同一個硅片襯底。因此，如果不把它們在電學(xué)上一一隔離起來，那么各個元器件就會通過半導(dǎo)體襯底相互影響和干擾，以至整個芯片無法正常工作，這是集成電路設(shè)計和制造時首先要考慮的問題。為此要引入隔離技術(shù)，然后在隔離的基礎(chǔ)上根據(jù)電路要求

5、把相關(guān)的各元器件端口連接起來，以實現(xiàn)電路的功能。,12,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,電學(xué)隔離的方法： 在現(xiàn)代集成電路技術(shù)中，通常采用以下兩種電學(xué)隔離方法： 通過反向PN結(jié)進行隔離； 采用氧化物（二氧化硅）加以隔離。 優(yōu)點： 能較好的實現(xiàn)直流隔離。 缺點： 增加芯片面積并引入附加的電容。,13,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,14,15,3.2 二極管的結(jié)構(gòu),二極管的兩個引出端（P端和N端）必須在芯片的上方引出，二極管須與芯片中其他元器件隔離。 在P型襯底上外延生長得到一層很薄的N型外延層 在指定區(qū)域進行P型雜質(zhì)擴散，形成N型“島”，同時形成PN結(jié)隔離區(qū)。 在N型“島”內(nèi)形成P型區(qū)，P型區(qū)與

6、N型外延層形成PN結(jié)。 重摻雜形成N+區(qū)，得到與N型外延層的歐姆連接，由金屬鋁作為引出端。,16,二極管制作步驟和實際結(jié)構(gòu),17,3.3 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu),18,在三極管下方形成一PN結(jié)，集電極與襯底隔離,三極管之間的隔離,19,用氧化物（二氧化硅）把每一個三極管包圍起來，將各個三極管在橫向上相互隔離起來。,采用掩埋層結(jié)構(gòu),20,氧化層隔離,PN結(jié)環(huán)隔離,先進雙極型三極管工藝結(jié)構(gòu),21,Oxide,Oxide,3.4 MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu),第3章 集成電路中的器件結(jié)構(gòu),寄生MOS管,23,當(dāng)兩個MOS管之間存在金屬走線，會形成寄生MOS管，一旦該管導(dǎo)通，將使電路工作出現(xiàn)混亂。,厚場氧化層

7、提高寄生管閾值電壓,24,在MOS管之間生成厚氧化層，這樣寄生管的閾值電壓大大提高，一般比電源電壓高出許多！從而保證寄生MOS管永遠不會導(dǎo)通，起到橫向隔離作用。,CMOS電路的結(jié)構(gòu),一種既包含N溝MOS管又包含P溝的MOS管的電路成為互補型MOS電路（complementary MOS）簡稱CMOS電路。 為了使兩種不同類型的MOS管做在同一個硅片襯底上，就先要在硅襯底上形成一N阱（N-well）或P阱（P-well）。,25,P阱CMOS芯片剖面示意圖,26,N阱CMOS芯片剖面示意圖,27,（1） （2）,（3） （4）,P阱注入,N阱注入,襯底準(zhǔn)備,光刻P阱,去光刻膠,生長SiO2,雙阱

8、CMOS工藝,28,（5） （6）,（7） （8）,生長 Si3N4,有源區(qū),場區(qū)注入,形成厚氧,多晶硅淀積,29,（9） （10）,（11） （12）,N+注入,P+注入,表面生長SiO2薄膜,接觸孔光刻,30,（13）,淀積鋁形成鋁連線,雙阱CMOS工藝,31,3.5 電阻的結(jié)構(gòu),集成電路中實現(xiàn)電阻有多種方式： 1. 晶體管結(jié)構(gòu)中不同材料層的片式電阻（不準(zhǔn)確） 2. 專門加工制造的高質(zhì)量高精度電阻 3. 互連線的傳導(dǎo)電阻 4. 采用特殊連接的晶體管，構(gòu)成有源電阻,32,單線和U-型電阻,33,34,直流電阻 Ron交流電阻 rds,柵、漏短接并工作在飽和區(qū)的MOS有源電阻,NMOS,PMO

9、S,35,直流電阻 Ron交流電阻 rds,條件：VGS保持不變,VGS保持不變的飽和區(qū)有源電阻,36,( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流電阻 Ron交流電阻 rds,有源電阻的幾種形式,3.6 電容的結(jié)構(gòu),在高速集成電路中，有多種實現(xiàn)電容的方法： 1. 二極管或三極管的結(jié)電容 2. 叉指金屬結(jié)構(gòu)電容 3. 金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容 4. 多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅電容,37,叉指結(jié)構(gòu)電容,38,金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容,39,3.7 接觸孔、通孔和互連線,為了使各類器件的端口能夠被引出，在集成電路制造時需在表面的二氧化碳層上指定的位置處開出了一個孔，這個孔稱之為接觸孔（contact）。這個孔位置處的硅被暴露出來后，直接淀積上金屬層，使金屬與硅直接接觸形成歐姆接觸。 另一種孔稱為（via），用于多層金屬連線之間的直接連通。它是在兩層金屬之間的絕緣層上開出一個孔，在淀積上一層金屬連線時，使金屬物進入孔中而使上下兩