【正文】 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?第五章 IC有源元件與工藝流程 概述 雙極性硅工藝 HBT工藝 MESFET和 HEMT工藝 MOS工藝和相關(guān)的 VLSI工藝 PMOS工藝 NMOS工藝 CMOS工藝 BiCMOS工藝1 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?第五章 IC有源元件與工藝流程 概述表 2 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?nIC特別是邏輯 IC的類型包括：以 雙極型硅為基礎(chǔ)的ECL技術(shù) ， PMOS技術(shù) ， NMOS技術(shù) ， CMOS技術(shù) ，雙極型硅或鍺異質(zhì)結(jié)晶體管加 CMOS的 BiCMOS技術(shù)和 GaAs技術(shù) 。n目前，占統(tǒng)治地位的是 CMOS技術(shù)。n單純采用雙極型硅的 ECL技術(shù)僅在一定場(chǎng)合得到應(yīng)用，但以 硅 /鍺異質(zhì)結(jié)晶體管（ HBT）為元件的 ECL電路 和 BiCMOS電路 則異軍突起，在 高頻 、 高速 和大規(guī)模集成 方面都展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。3 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n各種工藝的兩個(gè)重要特性是 速度 和 功耗 。人們追求的目標(biāo)是 高速高速 和 低功耗低功耗 。n速度是用 門延遲門延遲 來表示，門延遲越小表示速度越高。所以工藝開發(fā)和電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)，即高速低功耗就變成向左下角靠近（圖 ）。GaAs潛在速度最高，而 CMOS功耗最小。4 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?圖 幾種 IC工藝速度功耗區(qū)位圖5 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? 雙極性硅工藝 n 典型的 雙極性硅工藝： NPN三極管圖 典型的剖面圖252。雙極性硅工藝優(yōu)點(diǎn)：高速度、高跨導(dǎo)、低噪聲、 閾 值容易控制。252。雙極性硅的應(yīng)用：低噪聲高靈敏度放大器、微分電路、復(fù)接器、振蕩器等。6 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?典型的雙極集成電路工藝n襯底制備 → 一次氧化 → 隱埋層光刻 → 隱埋層擴(kuò)散 → 外延淀積 → 熱氧化 → 隔離光刻 — 隔離擴(kuò)散 → 再氧化 → 基區(qū)光刻 → 基區(qū)擴(kuò)散 → 再分布及氧化 → 發(fā)射區(qū)光刻 → （背面摻金） → 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 → 再分布及氧化 → 接觸孔光刻 → 鋁淀積 → 反刻鋁 → 鋁合金 → 淀積鈍化層 → 壓焊塊光刻 → 中測(cè)7 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n圖 （ a）繪制了典型的雙極型硅晶體管的剖面圖。這樣的晶體管用 5張掩膜就可以加工：n襯底選擇 選用 P型襯底，為提高隔離結(jié)的擊穿電壓同時(shí)也不使外延層在后續(xù)工藝中下推太多， ?sub選為10?.cm，晶向?yàn)椋?111）。8 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n一次光刻與 N+ 隱埋層擴(kuò)散 雜質(zhì)選擇原則：雜質(zhì)固溶度大，以使集電極串聯(lián)電阻降低；高溫時(shí)在硅中的擴(kuò)散系數(shù)要小，以減小外延時(shí)埋層雜質(zhì)上推到外延層的距離；與硅襯底的晶格匹配好，以減小應(yīng)力。最理想的隱埋層雜質(zhì)為 As。N+ 隱埋層擴(kuò)散隱埋層擴(kuò)散 9 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? 外延層淀積 設(shè)計(jì)參數(shù)包括外延層厚度 Tepi 和 ?epi 。為了使 Cjs、 CjC 小，擊穿電壓 BVCBO高，以及在以后的熱處理過程中外延層下推的距離小， ?epi 應(yīng)選得高一些；為了使集電極串聯(lián)電阻 rCS小及飽和電壓 VCES 小，又希望 ?epi 低一些。這兩者是矛盾的，需加以折衷。 對(duì)于 TTL電路來說，電源電壓 VCC=5V，所以對(duì) BVCBO的要求不高，但對(duì) rCS、 VCES的要求高，所以可選 ?epi ??.cm，相應(yīng)的厚度也較小， Tepi= 3~7?m； 對(duì)于模擬電路而言，主要考慮 工作電壓 ，工作電壓越高， ?epi 也應(yīng)選得越高 ，相應(yīng) Tepi也較大 ，一般模擬電路的外延層電阻率 ?epi =~5?.cm，厚度 Tepi為 7~17?m。10 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?外延層淀積外延層淀積11 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? P+ 隔離擴(kuò)散 在硅襯底上形成孤立的外延層島，實(shí)現(xiàn)各元件間的電絕緣。第二次光刻與第二次光刻與 P+ 隔離擴(kuò)散隔離擴(kuò)散12 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n PN結(jié)隔離和二氧化硅隔離的比較；隔離方法隔離電容（um2）隔離擊穿電壓（ v)隔離漏電流（ uA)其它特點(diǎn)PN結(jié)隔離3104uF 60~80 幾 muA 便于大量生產(chǎn)，不耐輻射二氧化硅隔離3105uF 200 幾 uuA 隔離工藝復(fù)雜，耐輻射，抗干擾性強(qiáng)13 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? P型基區(qū)擴(kuò)散 （此次光刻決定NPN管的基區(qū)以及基區(qū)擴(kuò)散電阻的圖形）。第三次光刻與第三次光刻與 P型基區(qū)擴(kuò)散型基區(qū)擴(kuò)散14 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? N+ 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 包括集電極接觸孔光刻與 N+ 擴(kuò)散，以減小歐姆接觸電阻。第四次光刻與第四次光刻與 N+ 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)擴(kuò)散15 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?第五次光刻 — 引線接觸孔光刻 引線接觸孔光刻 16 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n典型雙極型硅晶體管的缺點(diǎn)： be結(jié)與基極接觸孔之間的Ｐ型區(qū)域形成較大的基區(qū)體電阻。電阻。 PN結(jié)隔離因而形成較大的集電極寄生電容。17 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ? 雙極性硅工藝（續(xù)）n先進(jìn) 的雙極性硅工藝： NPN三極管圖 18 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n高性能晶體管的特點(diǎn)： +型多晶硅層用于基極的接觸和連接。 +型多晶硅層用于發(fā)射極的接觸。，形成基極和發(fā)射極區(qū)域時(shí)采用了自對(duì)準(zhǔn)工藝。 P+低歐姆區(qū)域的形成減少了體電阻。，在此之上，一層薄外延層連接于內(nèi)部集電極，這樣可允許大電流通過。 N+摻雜區(qū)域，從而減小集電極串聯(lián)電阻。 PN結(jié)形成器件的隔離，寄生電容大大減小。，防止了寄生 MOS效應(yīng)。19 ?c?e?c? ? 通 ?信 ?工 ?程 ?系 ?n雙極型晶體管的最高速度取決于通過 基區(qū)到集電極耗盡層的少數(shù)載流子的傳輸速度 、 主要器件電容 例如 基區(qū)擴(kuò)散電容 和 基區(qū)－集電極耗盡層電容 以及 寄生電容 充放電的電流大小。基區(qū)寬度小于 100nm時(shí)，傳輸時(shí)