集成电路设计基础ChPPT课件

1、第四章第四章集成电路器件工艺集成电路器件工艺4.14.1 双极型集成电路的基本制造工艺双极型集成电路的基本制造工艺4.24.2 MESFET MESFET和和HEMTHEMT工艺工艺4.3 MOS4.3 MOS工艺和相关的工艺和相关的VLSIVLSI工艺工艺4.4 BiCMOS4.4 BiCMOS工艺工艺第1页/共61页第四章第四章集成电路器件工艺集成电路器件工艺第2页/共61页图4.1 几种IC工艺速度功耗区位图第3页/共61页4.14.1 双极型集成电路的基本制造工艺双极型集成电路的基本制造工艺4.24.2 MESFET MESFET和和HEMTHEMT工艺工艺4.3 MOS4.3 MOS

2、工艺和相关的工艺和相关的VLSIVLSI工艺工艺4.4 BiCMOS4.4 BiCMOS工艺工艺第4页/共61页4.1.14.1.1双极性硅工艺双极性硅工艺 早期早期的双极性硅工艺：的双极性硅工艺：NPNNPN三极管三极管p+p+n+n-pn+n+p-SiO2BECBuried Layer Metalpn-Isolationpn-Isolation图4.2123第5页/共61页 先进先进的双极性硅工艺：的双极性硅工艺：NPNNPN三极管三极管图4.21.425678第6页/共61页 GaAsGaAs基基同质结同质结双极性晶体管并不具有令人满意的性能双极性晶体管并不具有令人满意的性能4.1.2H

3、BT工艺LmLswogRIV lIsw随渡越时间的减小而增大第7页/共61页AlGaAs /GaAsAlGaAs /GaAs基基异质结异质结双极性晶体管双极性晶体管(a) (b)图4.3 GaAs HBT的剖面图(a)和能带结构(b)第8页/共61页 GaAs GaAs 基基 HBTHBT InP InP 基基 HBTHBT Si/SiGeSi/SiGe的的HBTHBT第9页/共61页4.24.2MESFETMESFET和和HEMTHEMT工艺工艺 GaAsGaAs工艺：工艺：MESFETMESFET图4.4 GaAs MESFET的基本器件结构n引言欧姆欧姆肖特基金锗合金第10页/共61页M

4、ESFETMESFET 增强型和耗尽型增强型和耗尽型 减小栅长减小栅长 提高导电能力提高导电能力第11页/共61页 GaAsGaAs工艺：工艺：HEMTHEMT图4.5 简单HEMT的层结构n 栅长的减小大量的可高速迁移的电子第12页/共61页lGaAs工艺：HEMT工艺的三明治结构图4.6 DPD-QW-HEMT的层结构第13页/共61页Main Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTsMain Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTsHEMT-TypeParametersE-HEMTD-HEMTVth0

5、.5 V-0.7 VIdsmax200 mA/mm(Vgs = 0.8 V)180 mA/mm(Vgs = 0 V)Gm500 mS/mm400 mS/mmRs0.6 Wmm0.6 Wmm f T45 GHz40 GHz表 4.2 : 0.3 m 栅长HEMT的典型参数值第14页/共61页不同材料系统的研究不同材料系统的研究 GaAs InP SiGe第15页/共61页与与SiSi三极管相比，三极管相比，MESFETMESFET和和HEMTHEMT的缺点为的缺点为: : 跨导相对低跨导相对低; ; 阈值电压较敏感于有源层的垂直尺寸形状和掺杂程度；阈值电压较敏感于有源层的垂直尺寸形状和掺杂程度；

6、 驱动电流小驱动电流小 阈值电压变化大：由于跨导大，在整个晶圆上，阈值电压变化大：由于跨导大，在整个晶圆上，BJTBJT的阈值电压变化只有几的阈值电压变化只有几毫伏，而毫伏，而MESFETMESFET，HEMTHEMT由于跨导小，要高十倍多。由于跨导小，要高十倍多。 第16页/共61页4.3 MOS4.3 MOS工艺和相关的工艺和相关的VLSIVLSI工艺工艺第17页/共61页图4.7 MOS工艺的分类第18页/共61页认识MOSFETGateDrainSourcen+n+LeffLDrawnLDp-substrateSGDPolyOxideWn+n+线宽(Linewidth), 特征尺寸(F

7、eature Size)指什么？第19页/共61页MOSMOS工艺的特征尺寸工艺的特征尺寸(Feature Size)(Feature Size)特征尺寸特征尺寸: : 最小线宽最小线宽 最小栅长最小栅长图 4.8第20页/共61页4.3.1 PMOS4.3.1 PMOS工艺工艺早期的铝栅工艺早期的铝栅工艺 19701970年前，标准的年前，标准的MOSMOS工艺是铝栅工艺是铝栅P P沟道。沟道。图 4.9第21页/共61页铝栅铝栅PMOSPMOS工艺特点：工艺特点：l l 铝栅，栅长为铝栅，栅长为2020 m m。l l N N型衬底，型衬底，p p沟道。沟道。l l 氧化层厚氧化层厚150

8、01500 。l l 电源电压为电源电压为-12V-12V。l l 速度低，最小门延迟约为速度低，最小门延迟约为8080 100ns100ns。l l 集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。第22页/共61页AlAl栅栅MOSMOS工艺缺点工艺缺点 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，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MOSMOS工艺工艺中，不对齐的问题，不是图案难

9、看的问题，也不仅仅是所构造的晶体管尺寸中，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。做好晶体管的问题。第23页/共61页AlAl栅栅MOSMOS工艺的栅极位错问题工艺的栅极位错问题图 4.10第24页/共61页铝栅重叠设计铝栅重叠设计 栅极做得长，同S、D重叠一部分图 4.11第25页/共61页铝栅重叠设计的缺点铝栅重叠设计的缺点l l C CGSGS、C CGDGD都增大了。都增大了。2 2加长了栅极，增大了管子尺寸，集加长

10、了栅极，增大了管子尺寸，集成度降低。成度降低。第26页/共61页克服克服AlAl栅栅MOSMOS工艺缺点的根本方法工艺缺点的根本方法将两次将两次MASKMASK步骤合为一次。让步骤合为一次。让D D，S S和和G G三个区域一次成形。这种方法被称为三个区域一次成形。这种方法被称为自对准技术。自对准技术。第27页/共61页自对准技术与标准硅工艺自对准技术与标准硅工艺19701970年，出现了硅栅工艺年，出现了硅栅工艺( (采用了自对准技术）。采用了自对准技术）。多晶硅多晶硅PolysiliconPolysilicon，原是绝缘体原是绝缘体，经过重扩散，增加了，经过重扩散，增加了载流子，载流子，可

11、以变为导体可以变为导体，用作电极和电极引线。，用作电极和电极引线。在硅栅工艺中，在硅栅工艺中，S S，D D，G G是一次掩膜步骤形成的。先利用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，刻出光阻胶保护，刻出栅极，再以多晶硅为掩膜，刻出S S，D D区区域。那时的多晶硅还是绝缘体，或非良导体。域。那时的多晶硅还是绝缘体，或非良导体。经过经过扩散扩散，杂质不仅进入硅中，形成了杂质不仅进入硅中，形成了S S和和D D，还进入多晶硅，使它成，还进入多晶硅，使它成为导电的栅极和栅极引线。为导电的栅极和栅极引线。第28页/共61页标准硅栅标准硅栅PMOSPMOS工艺工艺图 4.1

12、2第29页/共61页硅栅工艺的优点：硅栅工艺的优点：l l 自对准自对准的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度。的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度。l 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。管尺寸，提高了速度，增加了集成度。 增加了电路的可靠性。增加了电路的可靠性。第30页/共61页4.3.24.3.2NMOSNMOS工艺工艺由于电子的迁移率由于电子的迁移率 e e大于空穴的迁移率大于空穴的迁移率 h h，即有，即有 e e 2.52.5 h h, ,

13、 因而，因而，N N沟道沟道FETFET的速度将比的速度将比P P沟道沟道FETFET快快2.52.5倍。那么，为什么倍。那么，为什么MOSMOS发展早期不用发展早期不用NMOSNMOS工艺做集工艺做集成电路呢？问题是成电路呢？问题是NMOSNMOS工艺遇到了难关。所以工艺遇到了难关。所以, , 直到直到19721972年突破了那些难关年突破了那些难关以后以后, MOS, MOS工艺才进入了工艺才进入了NMOSNMOS时代。时代。第31页/共61页了解了解NMOSNMOS工艺的意义工艺的意义 目前目前CMOSCMOS工艺已在工艺已在VLSIVLSI设计中占有压倒一切的设计中占有压倒一切的优势优

14、势. . 但了解但了解NMOSNMOS工艺仍具有几方面的意义工艺仍具有几方面的意义: :CMOSCMOS工艺是在工艺是在PMOSPMOS和和NMOSNMOS工艺的基础上发展起工艺的基础上发展起来的来的. .从从NMOSNMOS工艺开始讨论对于学习工艺开始讨论对于学习CMOSCMOS工艺起到循工艺起到循序渐进的作用序渐进的作用. .NMOSNMOS电路技术和设计方法可以相当方便地移植电路技术和设计方法可以相当方便地移植到到CMOS VLSICMOS VLSI的设计的设计. .GaAsGaAs逻辑电路的形式和众多电路的设计方法与逻辑电路的形式和众多电路的设计方法与NMOSNMOS工艺基本相同工艺基

15、本相同. .第32页/共61页增强型和耗尽性增强型和耗尽性MOSFETMOSFET (Enhancement mode and depletion mode MOSFET)(Enhancement mode and depletion mode MOSFET)FETFET（Field Effect TransisitorField Effect Transisitor）按衬底材料区分有按衬底材料区分有Si, GaAs, InPSi, GaAs, InP按场形成结构区分有按场形成结构区分有J/MOS/MESJ/MOS/MES按载流子类型区分有按载流子类型区分有P/NP/N按沟道形成方式区分有按沟

16、道形成方式区分有 E/DE/D第33页/共61页E-/D-NMOSE-/D-NMOS和和E-PMOSE-PMOS的电路符号的电路符号NMOSEnhancementPMOSEnhancementNMOSDepletion第34页/共61页E-NMOSE-NMOS的结构示意图的结构示意图( (增强型增强型V VD D=0V, V=0V, Vgsgs=V=Vsbsb=0V)=0V)图4.14 E-NMOS的结构示意图第35页/共61页D-NMOSD-NMOS的结构示意图的结构示意图( (耗尽型耗尽型 V VD D=0V, V=0V, Vgsgs=V=Vsbsb=0V)=0V)图4.14 D-NMOS

17、的结构示意图第36页/共61页E-PMOSE-PMOS的结构示意图的结构示意图 ( (增强型增强型 V VD D=0V, V=0V, Vgsgs=V=Vsbsb=0V)=0V)图4.14 E-PMOS的结构示意图第37页/共61页 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

18、发生变化。发生变化。E-NMOSE-NMOS工作原理图工作原理图第38页/共61页E-NMOS工作原理图VgsVt，Vds=0VVgsVt，VdsVt，VdsVgs-Vt图4.15 不同电压情况下E-NMOS的沟道变化第39页/共61页NMOS工艺流程图4.16 NMOS工艺的基本流程第40页/共61页表表4.3 NMOS4.3 NMOS的掩膜和典型工艺流程的掩膜和典型工艺流程第41页/共61页图图4.17 NMOS4.17 NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图反相器电路图和芯片剖面示意图SDDS第42页/共61页4.3.3 CMOS4.3.3 CMOS工艺工艺 进入进入8080年代以来，年代

19、以来，CMOS ICCMOS IC以其近乎零的静态功以其近乎零的静态功耗而显示出优于耗而显示出优于NMOSNMOS，而更适于制造，而更适于制造VLSIVLSI电路，电路，加上工艺技术的发展，致使加上工艺技术的发展，致使CMOSCMOS技术成为当前技术成为当前VLSIVLSI电路中应用最广泛的技术。电路中应用最广泛的技术。 CMOSCMOS工艺的标记特性工艺的标记特性 阱阱/ /金属层数金属层数/ /特征尺寸特征尺寸第43页/共61页1 1 Poly-, PPoly-, P阱阱CMOSCMOS工艺流程工艺流程图4.18第44页/共61页典型典型1 1P P2M n2M n阱阱CMOSCMOS工艺

20、主要步骤工艺主要步骤形成 n 阱区确定 nMOS 和 pMOS 有源区场和栅氧化（thinox）形成多晶硅并刻蚀成图案p+扩散n+扩散刻蚀接触孔沉积第一金属层并刻蚀成图案沉积第二金属层并刻蚀成图案形成钝化玻璃并刻蚀焊盘第45页/共61页图4.18 P阱CMOS芯片剖面示意图第46页/共61页图4.19 N阱CMOS芯片剖面示意图第47页/共61页图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第48页/共61页（5） （6）（7） （8）生长Si3N4有源区场区注入形成厚氧多晶硅淀积第49页/共61页（9） （10）（11） （12

21、）N+注入P+注入表面生长SiO2薄膜接触孔光刻第50页/共61页（13）淀积铝形成铝连线第51页/共61页CMOSCMOS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接近TTLTTL电路，但驱动能力尚不如双极型器件，所以近来又出现了在电路，但驱动能力尚不如双极型器件，所以近来又出现了在ICIC内部内部逻辑部分采用逻辑部分采用CMOSCMOS技术，而技术，而I/OI/O缓冲及驱动部分使用双极型技术的一种称为缓冲及驱动部分使用双极型技术的一种称为BiCMOSBiCMOS的工艺技术。的工艺技术。4.4 BiCMOS4.4 BiCMOS工艺工艺第52页/共61页 BiCMOS