《集成电路器件工艺》PPT课件.ppt

1 第四章集成电路器件工艺 4 1双极型集成电路的基本制造工艺4 2MESFET和HEMT工艺4 3MOS工艺和相关的VLSI工艺4 4BiCMOS工艺 2 第四章集成电路器件工艺 表4 1 3 图4 1几种IC工艺速度功耗区位图 4 4 1双极型集成电路的基本制造工艺4 2MESFET和HEMT工艺4 3MOS工艺和相关的VLSI工艺4 4BiCMOS工艺 5 4 1 1双极性硅工艺 早期的双极性硅工艺 NPN三极管 图4 2 1 2 3 6 先进的双极性硅工艺 NPN三极管 图4 2 1 4 2 5 6 7 8 7 GaAs基同质结双极性晶体管并不具有令人满意的性能 4 1 2HBT工艺 8 AlGaAs GaAs基异质结双极性晶体管 a b 图4 3GaAsHBT的剖面图 a 和能带结构 b 9 GaAs基HBTInP基HBTSi SiGe的HBT 10 4 2MESFET和HEMT工艺 GaAs工艺 MESFET 图4 4GaAsMESFET的基本器件结构 引言 欧姆 欧姆 肖特基 金锗合金 11 MESFET 增强型和耗尽型减小栅长提高导电能力 12 GaAs工艺 HEMT 图4 5简单HEMT的层结构 栅长的减小 大量的可高速迁移的电子 13 GaAs工艺 HEMT工艺的三明治结构 图4 6DPD QW HEMT的层结构 14 MainParametersofthe0 3mmGateLengthHEMTs HEMT Type Parameters E HEMT D HEMT V th 0 5V 0 7V I dsmax 200mA mm V gs 0 8V 180mA mm V gs 0V G m 500mS mm 400mS mm R s 0 6 W mm 0 6 W mm f T 45GHz 40GHz 表4 2 0 3 m栅长HEMT的典型参数值 15 不同材料系统的研究 GaAsInPSiGe 16 与Si三极管相比 MESFET和HEMT的缺点为 跨导相对低 阈值电压较敏感于有源层的垂直尺寸形状和掺杂程度 驱动电流小阈值电压变化大 由于跨导大 在整个晶圆上 BJT的阈值电压变化只有几毫伏 而MESFET HEMT由于跨导小 要高十倍多 17 4 3MOS工艺和相关的VLSI工艺 18 图4 7MOS工艺的分类 19 认识MOSFET 线宽 Linewidth 特征尺寸 FeatureSize 指什么 20 MOS工艺的特征尺寸 FeatureSize 特征尺寸 最小线宽 最小栅长 图4 8 21 4 3 1PMOS工艺早期的铝栅工艺 1970年前 标准的MOS工艺是铝栅P沟道 图4 9 22 铝栅PMOS工艺特点 l铝栅 栅长为20 m lN型衬底 p沟道 l氧化层厚1500 l电源电压为 12V l速度低 最小门延迟约为80 100ns l集成度低 只能制作寄存器等中规模集成电路 23 Al栅MOS工艺缺点 制造源 漏极与制造栅极采用两次掩膜步骤不容易对齐 这好比彩色印刷中 各种颜色套印一样 不容易对齐 若对不齐 彩色图象就很难看 在MOS工艺中 不对齐的问题 不是图案难看的问题 也不仅仅是所构造的晶体管尺寸有误差 参数有误差的问题 而是可能引起沟道中断 无法形成沟道 无法做好晶体管的问题 24 Al栅MOS工艺的栅极位错问题 图4 10 25 铝栅重叠设计 栅极做得长 同S D重叠一部分 图4 11 26 铝栅重叠设计的缺点 lCGS CGD都增大了 l加长了栅极 增大了管子尺寸 集成度降低 27 克服Al栅MOS工艺缺点的根本方法 将两次MASK步骤合为一次 让D S和G三个区域一次成形 这种方法被称为自对准技术 28 自对准技术与标准硅工艺 1970年 出现了硅栅工艺 采用了自对准技术 多晶硅Polysilicon 原是绝缘体 经过重扩散 增加了载流子 可以变为导体 用作电极和电极引线 在硅栅工艺中 S D G是一次掩膜步骤形成的 先利用光阻胶保护 刻出栅极 再以多晶硅为掩膜 刻出S D区域 那时的多晶硅还是绝缘体 或非良导体 经过扩散 杂质不仅进入硅中 形成了S和D 还进入多晶硅 使它成为导电的栅极和栅极引线 29 标准硅栅PMOS工艺 图4 12 30 硅栅工艺的优点 l自对准的 它无需重叠设计 减小了电容 提高了速度 l无需重叠设计 减小了栅极尺寸 漏 源极尺寸也可以减小 即减小了晶体管尺寸 提高了速度 增加了集成度 增加了电路的可靠性 31 4 3 2NMOS工艺 由于电子的迁移率 e大于空穴的迁移率 h 即有 e 2 5 h 因而 N沟道FET的速度将比P沟道FET快2 5倍 那么 为什么MOS发展早期不用NMOS工艺做集成电路呢 问题是NMOS工艺遇到了难关 所以 直到1972年突破了那些难关以后 MOS工艺才进入了NMOS时代 32 了解NMOS工艺的意义 目前CMOS工艺已在VLSI设计中占有压倒一切的优势 但了解NMOS工艺仍具有几方面的意义 CMOS工艺是在PMOS和NMOS工艺的基础上发展起来的 从NMOS工艺开始讨论对于学习CMOS工艺起到循序渐进的作用 NMOS电路技术和设计方法可以相当方便地移植到CMOSVLSI的设计 GaAs逻辑电路的形式和众多电路的设计方法与NMOS工艺基本相同 33 增强型和耗尽性MOSFET EnhancementmodeanddepletionmodeMOSFET FET FieldEffectTransisitor 按衬底材料区分有Si GaAs InP按场形成结构区分有J MOS MES按载流子类型区分有P N按沟道形成方式区分有E D 34 E D NMOS和E PMOS的电路符号 图4 13 35 E NMOS的结构示意图 增强型VD 0V Vgs Vsb 0V 图4 14E NMOS的结构示意图 36 D NMOS的结构示意图 耗尽型VD 0V Vgs Vsb 0V 图4 14D NMOS的结构示意图 37 E PMOS的结构示意图 增强型VD 0V Vgs Vsb 0V 图4 14E PMOS的结构示意图 38 工作原理 在栅极电压作用下 漏区和源区之间形成导电沟道 这样 在漏极电压作用下 源区电子沿导电沟道行进到漏区 产生自漏极流向源极的电流 改变栅极电压 控制导电沟道的导电能力 使漏极电流发生变化 E NMOS工作原理图 39 E NMOS工作原理图 Vgs Vt Vds 0V Vgs Vt Vds Vgs Vt Vgs Vt Vds Vgs Vt 图4 15不同电压情况下E NMOS的沟道变化 P 56 40 NMOS工艺流程 图4 16NMOS工艺的基本流程 41 表4 3NMOS的掩膜和典型工艺流程 42 图4 17NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图 S D D S 43 4 3 3CMOS工艺 进入80年代以来 CMOSIC以其近乎零的静态功耗而显示出优于NMOS 而更适于制造VLSI电路 加上工艺技术的发展 致使CMOS技术成为当前VLSI电路中应用最广泛的技术 CMOS工艺的标记特性阱 金属层数 特征尺寸 44 1 Poly P阱CMOS工艺流程 图4 18 45 典型1P2Mn阱CMOS工艺主要步骤 46 图4 18P阱CMOS芯片剖面示意图 47 图4 19N阱CMOS芯片剖面示意图 48 图4 20双阱CMOS工艺 1 2 3 4 P阱注入 N阱注入 衬底准备 光刻P阱 去光刻胶 生长SiO2 49 5 6 7 8 生长Si3N4 有源区 场区注入 形成厚氧 多晶硅淀积 50 9 10 11 12 N 注入 P 注入 表面生长SiO2薄膜 接触孔光刻 51 13 淀积铝形成铝连线 52 CMOS的主要优点是集成密度高而功耗低 工作频率随着工艺技术的改进已接近TTL电路 但驱动能力尚不如双极型器件 所以近来又出现了在IC内部逻辑部分采用CMOS技术 而I O缓冲及驱动部分使用双极型技术的一种称为BiCMOS的工艺技术 4 4BiCMOS工艺 53 BiCMOS工艺技术大致可以分为两类 分别是以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺和以双极工艺为基础的BiCMOS工艺 一般来说 以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺对保证CMOS器件的性能比较有利 同样以双极工艺为基础的BiCMOS工艺对提高保证双极器件的性能有利 影响BiCMOS器件性能的主要部分是双极部分 因此以双极工艺为基础的BiCMOS工艺用的较多 54 BiCMOS工艺下NPN晶体管的俯视图和剖面图 55 A 以P阱CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺 图4 21P阱CMOS NPN结构剖面图 缺点 基区厚度太 使得电流增益变小 56 B 以N阱CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺 图4 22N阱CMOS NPN体硅衬底结构剖面图 优缺点 基区厚度变薄 但是集电极串联电阻还是很大