ChIC有源元件与工艺流程

集成电路设计基础王志功东南大学无线电系2004年第五章 IC有源元件与工艺流程5.1概述5.2 双极性硅工艺5.3HBT工艺5.4 MESFET和HEMT工艺5.5MOS工艺和相关的VLSI工艺5.6PMOS工艺5.7 NMOS工艺5.8CMOS工艺5.9BiCMOS工艺2第五章 IC有源元件与工艺流程

5.1概述表5.13图5.1几种IC工艺速度功耗区位图45.2

双极性硅工艺

早期的双极性硅工艺：NPN三极管图5.255.2

双极性硅工艺先进的双极性硅工艺：NPN三极管图5.265.3 HBT工艺(a)(b)图5.3GaAsHBT的剖面图(a)和能带结构(b)75.4

MESFET和HEMT工艺

GaAs工艺：MESFET图5.4GaAsMESFET的基本器件结构8GaAs工艺：HEMT图5.5简单HEMT的层结构9GaAs工艺：HEMT工艺的三明治结构图5.6DPD-QW-HEMT的层结构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栅长HEMT的典型参数值值11与Si三极管相比，，MESFET和HEMT的缺点为:跨导相对低;阈值电压较敏敏感于有源层层的垂直尺寸寸形状和掺杂杂程度；驱动电流小由于跨导大，，在整个晶圆圆上，BJT的阈值电压变变化只有几毫毫伏，而MESFET，HEMT要高十倍多。。125.5MOS工艺和相关的的VLSI工艺13图5.7MOS工艺的分类14认识MOSFET线宽(Linewidth),特征尺寸(FeatureSize)指什么？15MOS工艺的的特征尺寸(FeatureSize)特征尺寸:最小线宽最小栅长图5.8165.6PMOS工艺5.6.1早期的铝栅工工艺1970年前前，标准的MOS工艺是铝栅P沟道。图5.917铝栅PMOS工艺特点：l铝栅，栅长为为20m。lN型衬底，p沟道。l氧化层厚1500Å。l电源电压为-12V。l速度低，最小小门延迟约为为80100ns。l集成度低，只只能制作寄存存器等中规模模集成电路。。18Al栅MOS工艺缺点制造源、漏极极与制造栅极极采用两次掩掩膜步骤不容容易对齐。这这好比彩色印印刷中，各种种颜色套印一一样，不容易易对齐。若对对不齐，彩色色图象就很难难看。在MOS工艺中，不对对齐的问题，，不是图案难难看的问题，，也不仅仅是是所构造的晶晶体管尺寸有有误差、参数数有误差的问问题，而是可可能引起沟道道中断，无法法形成沟道，，无法做好晶晶体管的问题题。19Al栅MOS工艺的栅极极位错问题图5.10205.6.2铝栅重叠设计计栅极做得长，，同S、D重重叠一部分图5.1121铝栅重叠设计计的缺点lCGS、CGD都增大了。l加长了栅极，，增大了管子子尺寸，集成成度降低。22克服Al栅MOS工艺缺缺点的根本方方法将两次MASK步骤合为一次次。让D，S和G三个区域一次次成形。这种种方法被称为为自对准技术。235.6.3自对准技术与与标准硅工艺艺1970年，，出现了硅栅栅工艺。多晶硅Polysilicon，原是绝缘体，，经过重扩散散，增加了载载流子，可以以变为导体，，用作电极和和电极引线。。在硅栅工艺中中，S，D，G是一次掩膜步步骤形成的。。先利用光阻阻胶保护，刻刻出栅极，再再以多晶硅为为掩膜，刻出出S，D区域。那时的的多晶硅还是是绝缘体，或或非良导体。。经过扩散，，杂质不仅进进入硅中，形形成了S和D，还进入多晶硅硅，使它成为为导电的栅极极和栅极引线线。24标准硅栅PMOS工艺图5.1225硅栅工艺的优优点：l自对准的，它它无需重叠设设计，减小了了电容，提高高了速度。l无需重叠设计计，减小了栅栅极尺寸，漏漏、源极尺寸寸也可以减小小，即减小了了晶体管尺寸寸，提高了速速度，增加了了集成度。增加了电路的的可靠性。265.7 NMOS工艺由于电子的迁迁移率e大于空穴的迁迁移率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，为什什么MOS发展早期不用用NMOS工艺做集成电电路呢？问题题是NMOS工艺遇到到了难关关。所以以,直直到1972年年突破了了那些难难关以后后,MOS工艺才进进入了NMOS时代。275.7.1了解NMOS工艺的意意义目前CMOS工艺已在在VLSI设计中占占有压倒倒一切的的优势.但了了解NMOS工艺仍具具有几方方面的意意义:CMOS工艺是在在PMOS和NMOS工艺的基基础上发发展起来来的.从NMOS工艺开始始讨论对对于学习习CMOS工艺起到到循序渐渐进的作作用.NMOS电路技术术和设计计方法可可以相当当方便地地移植到到CMOSVLSI的设计.GaAs逻辑电路路的形式式和众多多电路的的设计方方法与NMOS工艺基本本相同.285.7.2增强型和和耗尽性性MOSFET(EnhancementmodeanddepletionmodeMOSFET)FET（（FieldEffectTransisitor）按衬底材材料区分分有Si,GaAs,InP按场形成成结构区区分有J/MOS/MES按载流子子类型区区分有P/N按沟道形形成方式式区分有有E/D29E-/D-NMOS和E-PMOS的电路符符号图5.1330E-NMOS的结构示示意图(增强型型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图5.14E-NMOS的结构示示意图31D-NMOS的结构示示意图(耗尽型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图5.14D-NMOS的结构示示意图32E-PMOS的结构示示意图(增强型VD=0V,Vgs=Vsb=0V)图5.14E-PMOS的结构示示意图335.7.3E-NMOS工作原理理图Vgs>Vt，，Vds=0V图5.15不同电压压情况下下E-NMOS的沟道变变化34E-NMOS工作原理理图Vgs>Vt，，Vds<Vgs-Vt图5.15不同电压压情况下下E-NMOS的沟道变变化35E-NMOS工作原理理图Vgs>Vt，，Vds>Vgs-Vt图5.15不同电压压情况下下E-NMOS的沟道变变化365.7.4NMOS工艺流程程图5.16NMOS工艺的基基本流程程37表5.3NMOS的掩膜和和典型工工艺流程程38图5.17NMOS反相器电电路图和和芯片剖剖面示意意图395.8CMOS工艺进入80年代以以来，CMOSIC以其近乎乎零的静静态功耗耗而显示示出优于于NMOS，而更适于于制造VLSI电路，加加上工艺艺技术的的发展，，致使CMOS技术成为为当前VLSI电路中应应用最广广泛的技技术。405.8.11Poly-,P阱CMOS工艺流程程图5.1841表5.4一层多晶晶硅,一一层金属属,n型衬底CMOS的掩膜和和典型工工艺流程程425.8.2典型1P2Mn阱CMOS工艺主要要步骤图5.1943CMOS反相器电电路图和和芯片剖剖面示意意图图5.2044CMOS的主要优优点是集集成密度度高而功功耗低，，工作频频率随着着工艺技技术的改改进已接接近TTL电路，但但驱动能能力尚不不如双极极型器件件，所以以近来又又出现了了在IC内部逻辑辑部分采采用CMOS技术，而而I/O缓冲及驱驱动部分分使用双双极型技技术的一一种称为为BiCMOS的工艺技技术。5.9BiCMOS工艺45BiCMOS工艺的特特点就是是在CMOS工艺的基基础上加加入双极极性器件件的特殊殊的工序序表5.546BiCMOS工艺艺下下NPN晶体体管管的的俯俯视视图图和和剖剖面面图图图5.21479、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。21:47:5621:47:5621:4712/7/20229:47:56PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2221:47:5621:47Dec-2207-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。21:47:5621:47:5621:47Wednesday,December7,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2221:47:5621:47:56December7,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。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、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/721:47:5621:47:5607December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。9:47:56下下午9:47下下午午21:47:5612月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。21:47:5721:47:5721:4712/7/20229:47:57PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2221:47:5721:47Dec-2207-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:47:5721:47:5721:47Wednesday,December7,202213、不知香积寺寺，数里入云云峰。。12月-2212月-2221:47:5721:47:57December7,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。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，荆门门九派通。。。。十二月229:47下下午12月-2221:47December7,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/721:47:5721:47:5707December202217、空山山新雨雨后，，天气气晚来来秋。。。9:47:57下下午9:47下下午午21:47:5712月月-229、杨杨柳柳散散和和风风，，青青山山澹澹吾吾虑虑。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、阅读读一切切好书书如同同和过过去最最杰出出的人人谈话话。21:47:5721:47:5721:4712/7/20229:47:57PM11、越是没有本本领的就越加加自命不凡。。12月-2221:47:5721:47Dec-2207-Dec-2212、越是无能能的人，