Ch05IC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 2 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 4MESFET和HEMT工艺5 5MOS工艺和相关的VLSI工艺5 6PMOS工艺5 7NMOS工艺5 8CMOS工艺5 9BiCMOS工艺 3 第五章IC有源元件与工艺流程 5 1概述 表5 1 4 图5 1几种IC工艺速度功耗区位图 5 5 2双极性硅工艺 早期的双极性硅工艺 NPN三极管 图5 2 6 5 2双极性硅工艺 先进的双极性硅工艺 NPN三极管 图5 2 7 5 3HBT工艺 a b 图5 3GaAsHBT的剖面图 a 和能带结构 b 8 5 4MESFET和HEMT工艺 GaAs工艺 MESFET 图5 4GaAsMESFET的基本器件结构 9 GaAs工艺 HEMT 图5 5简单HEMT的层结构 10 GaAs工艺 HEMT工艺的三明治结构 图5 6DPD QW HEMT的层结构 11 MainParametersofthe0 3mmGateLengthHEMTs HEMT Type Parameters E HEMT D HEMT V th 0 05V 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5 2 0 3 m栅长HEMT的典型参数值 12 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要高十倍多 13 5 5MOS工艺和相关的VLSI工艺 14 图5 7MOS工艺的分类 15 认识MOSFET 线宽 Linewidth 特征尺寸 FeatureSize 指什么 16 MOS工艺的特征尺寸 FeatureSize 特征尺寸 最小线宽 最小栅长 图5 8 17 5 6PMOS工艺5 6 1早期的铝栅工艺 1970年前 标准的MOS工艺是铝栅P沟道 图5 9 18 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 19 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 20 Al栅MOS工艺的栅极位错问题 图5 10 21 5 6 2铝栅重叠设计 栅极做得长 同S D重叠一部分 图5 11 22 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 23 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 24 5 6 3自对准技术与标准硅工艺 1970年 出现了硅栅工艺 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 25 标准硅栅PMOS工艺 图5 12 26 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 27 5 7NMOS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 28 5 7 1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 29 5 7 2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 30 E D NMOS和E PMOS的电路符号 图5 13 31 E NMOS的结构示意图 增强型VD 0V Vgs Vsb 0V 图5 14E NMOS的结构示意图 32 D NMOS的结构示意图 耗尽型VD 0V Vgs Vsb 0V 图5 14D NMOS的结构示意图 33 E PMOS的结构示意图 增强型VD 0V Vgs Vsb 0V 图5 14E PMOS的结构示意图 34 5 7 3E NMOS工作原理图 Vgs Vt Vds 0V 图5 15不同电压情况下E NMOS的沟道变化 35 E NMOS工作原理图 Vgs Vt Vds Vgs Vt 图5 15不同电压情况下E NMOS的沟道变化 36 E NMOS工作原理图 Vgs Vt Vds Vgs Vt 图5 15不同电压情况下E NMOS的沟道变化 37 5 7 4NMOS工艺流程 图5 16NMOS工艺的基本流程 38 表5 3NMOS的掩膜和典型工艺流程 39 图5 17NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图 40 5 8CMOS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 41 5 8 11 Poly P阱CMOS工艺流程 图5 18 42 表5 4一层多晶硅 一层金属 n型衬底CMOS的掩膜和典型工艺流程 43 5 8 2典型1P2Mn阱CMOS工艺主要步骤 图5 19 44 CMOS反相器电路图和芯片剖面示意图 图5 20 45 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