西安交通大学微电子制造技术第三章器件技术课件

半导体制造技术

第3章

器件技术

引言用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的。通用的微芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极管和晶体管。它们在衬底上的集成是集成电路芯片制造技术的基础。硅片上电子器件的形成方式被称为结构。半导体器件结构有成千上万种。这里只能列举出其中的一部分。本章将讨论器件的实际形成，以了解它们在应用中是怎样发挥作用的。同时，本章还将对集成电路产品的不同分类进行回顾。本章要点1.区别模拟和数字、有源和无源器件的不同。说明在无源器件中寄生结构的影响；2.对PN结进行描述，讨论其重要性，并解释其反向偏压和正向偏压的不同；3.描述双极技术特征和双极晶体管的功能、偏压、结构及应用；4.描述CMOS技术的基本特征，包括场效应晶体管、偏压现象以及CMOS反相器；5.描述MOSFET增强型和耗尽型之间的区别；6.描述寄生晶体管的影响和CMOS闩锁效应的本质；7.列举一些集成电路产品，描述其各自的一些应用。数字电路

数字电路在两种性质不同的电平信号－高电平和低电平下工作。数字电路与数字(逻辑)器件有关。数字器件（电路）可用于测量并控制事件结果：要求既有开/关型命令，又能受模拟线性电路分立增量变化的控制。这也正是今天区别模拟器件和数字器件如此困难的原因所在。高低电平准确数值取决于特别的器件技术。下面是两个逻辑电平的例子：逻辑类型高电平＝1低电平＝0TTL5VDC0.0VDCCMOS3.5VDC0.0VDC无源元件结构在电路中电阻和电容都是无源元件。因为这些元件无论怎样和电源连接，它们都能传输电流。例如，一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接，它都能传输同样的电流。集成电路电阻结构

集成电路中的电阻可以通过金属膜、掺杂的多晶硅，或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产生。这些电阻是微结构，因此它们只占用衬底很小的区域。电阻和芯片电路的连接是通过与导电金属（如铝、钨等）形成接触实现的(见下图）。集成电路中电阻结构示例

n-Substrate

Metalcontact

FilmtyperesistorSiO2,dielectricmaterial

Metalcontactn-p-DiffusedresistorSiO2,dielectricmaterialFigure3.1

RECREBRBBRBCRCCRCBMetalcontactresistanceBulkresistancen+

n+p-

BaseEmitterCollectorp-SubstrateFigure3.2晶体管中寄生电阻的剖面

集成电路电容结构大家知道，一个简单的电容器是由两个分立的导电层被介质（绝缘）材料隔离而形成的。微芯片制造中介质材料通常是二氧化硅（SiO2）,平面型电容器的导电层可由金属薄层、掺杂的多晶硅，或者衬底的扩散区形成。通常衬底上的电容器由4钟基本工艺组成（见图3.3）。SubstrateOxidedielectricMetalcontactsSubstrateDielectricmaterial(oxide)2nddopedpolylayerMetalcontactto1stpoly1stdopedpolylayerSubstrateMetalcontacttodiffusedregionDopedpolylayerp-DiffusedregionSubstrate1st,n+polyplate2nd,n+polyplateDielectricmaterial(oxide)Figure3.3集成电路中电容结构有源元件结构pn结二极管双极晶体管肖特基二极管双极集成电路技术CMOS集成电路技术增强型和耗尽型MOSFETp-SubstrateCathodeAnodepnjunctiondiodeMetalcontactHeavilydopedpregionHeavilydopednregionFigure3.5PN结二极管的基本符号和结构}p-typeSin-typeSiDepletionregionCathodeAnodeMetalcontactPotentialhill0BarriervoltageChargedistributionofbarriervoltageacrossapnJunction.Figure3.6PN结二极管的开路情况pn3VHoleflowElectronflowLampFigure3.8正偏PN二极管

外加电场12010080604020.4.81.21.6+I-V+V-IBreakdownvoltageLeakagecurrentReversebiascurveForwardbiascurveJunctionvoltageFigure3.9硅二极管的正偏与反偏电学特性PhysicalstructurepnpEmitterCollectorBaseBCEpnptransistorSchematicsymbolPhysicalstructureBCEEmitterCollectorBasenpnnpntransistorSchematicsymbolFigure3.10两种双极晶体管Nonconductionmode1.5VpnpS1BCE3VLampConductionmode

Holeflowh+e-1.5V

p

n

pS1BCE3Vh+LampFigure3.12PNP晶体管的偏置电路p-substraten+pn+MetalcontactCEBFigure3.13NPNBJT的剖面图肖特级二极管肖特级二极管是由金属和轻掺杂的n型半导体材料接触形成的（图3.14）。这种形式器件的工作原理与普通二极管相似－－正偏时低电阻，反偏时高电阻。硅肖特级二极管的正向结电压降（0.3～0.5V），几乎是硅pn结二极管（0.6～0.8V）的一半。肖特级二极管的最大优势是其电导完全取决于电子，这使其从开到关的时间更快。肖特级二极管的发明使双极集成电路技术得以在21世纪继续应用。肖特级二极管的概念已用于高速和更高功效的双极集成电路的发展中。双极逻辑的种类Table3.1

CMOS集成电路技术TheFieldEffectTransistorMOSFETsnMOSFETpMOSFETBiasingthenMOSFETBiasingthepMOSFETCMOSTechnologyBiCMOSTechnologyEnhancementandDepletion-ModeCMOS集成电路技术场效应晶体管（FET）场效应晶体管最早是为了解决能源消耗而提出的，诞生于20世纪70年代。后来发现FET是既节省能源又利于提高集成度的电子器件。尽管FET的早期实验应回到20世纪30年代，但第一批大量生产的场效应晶体管在60年代成为现实。从第一批改进的FET一直被使用。现在最流行的集成电路技术是COMS（互补型金属氧化物半导体）技术，它是围绕着FET设计和制造的发展而发展的。nMOSFET(n-channel)GateSourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+SourceGateDrainSubstratepMOSFET(p-channel)SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateSourceGateDrainSubstrateFigure3.15TwoTypesofMOSFETs

VDD=+3.0VOpengate(nocharge)Lamp(noconduction)SourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+GateVGG=+0.7VS1Figure3.16BiasingCircuitforanNMOSTransistor

S1IDSVDD=+3.0VPositivechargeLampe-e-e-++++++++++++++++++SourceDrainp-typesiliconsubstrateGaten+n+HolesVGG=+0.7VFigure3.17NMOSTransistorinConductionMode

Figure3.18NMOSFET的特性曲线6005004003002001000VGS=+5VVGS=+4VVGS=+3VVGS=+2VVGS=+1V0123456Drain-SourceVoltage,VDS(volts)DrainCurrent,IDS(ma)SaturationRegionLinearRegionVDD=-3.0VOpengate(nocharge)Lamp(noconduction)SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateVGG=-0.7VS1Figure3.19P

MOSFET的偏置电路IDSVDD=-3.0VLampe-e-e-GateSourceDrain------------------------n-typesiliconsubstrateElectronsp+p+NegativechargeVGG=-0.7VS1Figure3.20PMOSTransistorinConductionMode

COMS技术以MOSFET为基础的IC制造，多年来都集中在单一的n沟道MOSFET技术为基础的产品制造和开发上。尽管分立的pMOS晶体管在特定电子应用方面适合很多适用的功能，但是通常nMOS集成电路器件替代了pMOS技术。因此，nMOS成为绝大多数集成电路制造商的选择。COMS是在同一集成电路上nMOS和pMOS混合。功耗、设计等比缩放技术和制造工艺的改进相结合使CMOS技术在20世纪80年代就成了一种最普遍的器件技术。等比缩放用于描述综合尺寸和现有的IC工作电压的缩小过程。所有尺寸和电压都必须在通过设计模型应用时统一缩小，这些模型是IC设计者们在电路设计和版图设计阶段使用的。SGInputD+VDDDSGOutputpMOSFETnMOSFET-VSSFigure3.21CMOS反相器的电路图

CMOS反相器CMOS反相器电路的功效产生于输入信号为零的转换期，当输入信号为零时晶体管没有功耗。nMOS、TTL和ECL电路与CMOS的不同在于即使是没有输入信号，这些逻辑器件也会消耗功耗。这也是现在愿意在诸如计算器、时钟、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品的制造中使用COMS集成电路技术的主要原因。简单CMOS反相器的物理结构如下面的顶视图和截面图所示。pMOSFETnMOSFET

VDD-VSSSDDSGGn-typesiliconsubstratep-wellp+p+n+n+n-wellPolysiliconMetalFigure3.22CMOS反向器的顶视图+VDD-VSSSDDSGGp+p+p-welln+n+n-typesiliconsubstraten+p+pMOSFETnMOSFETFieldoxideInterlayerOxideMetalFigure3.23Cross-sectionofCMOSInverter

BiCOMSBiCOMS技术就是将CMOS和双极技术的优良性能集中在同一集成电路中。BiCOMS综合了COMS结构的低功耗、高集成度和TTL或ECL器件结构的高电流驱动能力。

BiCOMS产品的应用能在所有需要高功耗负载的数字控制中。在这种情况下，数/模（D/A）转换器芯片可以用来提供用作电子机械设备的控制模拟驱动信号。在测试仪器端口，模/数（A/D）芯片可以用于测量模拟驱动信号的输出。下图表示了一个BiCOMS芯片用于使用仪器和控制应用的基本例子。BiCOMS芯片的其他应用包括汽车电子设备、航空航天、机器人技术和工业设备。用在简单加热系统控制中的BiCMOSmVMeasuredsignalCPUOutputInputBiCMOSBiCMOSDACADCDigitalsideSetpointFeedback0-5V0-5VAMPAMPDrivesignalAnalogsideHeatingelementProcesschamberTemperaturesensor+48VDCFigure3.24

CMOSsectionBipolarsectionINPUTOUTPUTQ1Q2Q3Q4Figure3.25简单的BiCMOS反向器

增强型与耗尽型MOSFET的比较Figure3.26

GateSourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateGateSourceDrainn-type