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1、集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管 微电子学院微电子学院 贾新章贾新章 游海龙游海龙 2011年年11月月 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 1. 实现选择性掺杂的三道基本工序实现选择性掺杂的三道基本工序 (1) 氧化氧化 Si+O2=SiO2 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 1. 实现选择性掺杂的三道基本工序实现选择性掺杂的三道基本工序 (2) 光刻：与常规的洗像原理相同。光刻：与常规的洗像原理相同。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 1. 实现选择性掺杂的三道基本工序实现选择性掺杂的三道基本工序 (3) 扩散掺杂：扩散
2、是一种常见的自然现象。在扩散掺杂：扩散是一种常见的自然现象。在IC 生产中，扩散的同时进行氧化。生产中，扩散的同时进行氧化。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2. 分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (1) 基区氧化：原始材料为基区氧化：原始材料为N型硅片，将作为最终型硅片，将作为最终 NPN晶体管的集电区。晶体管的集电区。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (2) 基区光刻基区光刻 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶
3、体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (3) 基区掺杂：采用扩散技术，掺入基区掺杂：采用扩散技术，掺入P型杂质，通过型杂质，通过 补偿，使衬底的一部分区域变为补偿，使衬底的一部分区域变为P型区，成为晶体管型区，成为晶体管 的基区。同时表面又生成一层的基区。同时表面又生成一层SiO2 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (4) 发射区光刻：在基区范围内的发射区光刻：在基区范围内的SiO2层上光刻出层上光刻出 一个小窗口，确定发射区的范围。一个小窗口，确定发射区的范围。 复习：集成电路工艺基本流程复习：
4、集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (5) 发射区掺杂：采用扩散掺杂技术，掺入发射区掺杂：采用扩散掺杂技术，掺入N型杂型杂 质，通过补偿，使一部分质，通过补偿，使一部分P型基区转变为型基区转变为N型，成为型，成为 晶体管的发射区。同时表面上又生成一层晶体管的发射区。同时表面上又生成一层SiO2 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (6) 引线孔光刻：在基区和发射区范围内分别刻出引线孔光刻：在基区和发射区范围内分别刻出 窗口，用于制备电极。窗口，用于制备电极
5、。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (7) 淀积金属：将用于形成电极。淀积金属：将用于形成电极。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 (8) “反刻”：采用光刻技术，将用作为反刻”：采用光刻技术，将用作为E电极和电极和B电极电极的金属的金属 保留，刻蚀掉其余部分。硅片背面通过金属化形成保留，刻蚀掉其余部分。硅片背面通过金属化形成C极。构成晶极。构成晶 体管管芯体管管芯。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流
6、程 2.分立分立NPN晶体管管芯制备的工艺流程晶体管管芯制备的工艺流程 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 3.分立分立NPN晶体管版图：基本结构晶体管版图晶体管版图：基本结构晶体管版图 包括包括4层层 基区基区(Base) 发射区发射区(Emitter) 引线孔引线孔(Contact) 电极电极(Metallization) 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 4. IC管芯中的特殊问题管芯中的特殊问题 (1) 隔离隔离 (2) NPN晶体管集电区埋层的引入晶体管集电区埋层的引入 (3) 元器件之间的互连元器件之间的互连 (4) 集成电路中的其他元器件集成
7、电路中的其他元器件 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 4. IC管芯中的特殊问题管芯中的特殊问题 (1) 隔离隔离 问题：采用常规问题：采用常规NPN工艺，硅片衬底即为集电区，工艺，硅片衬底即为集电区， 同一硅片上制作的多个同一硅片上制作的多个NPN晶体管，集电区连在一起，晶体管，集电区连在一起， 显然不会与电路中元器件连接关系相一致。显然不会与电路中元器件连接关系相一致。 解决方法：采用隔离技术，将不同元器件相互隔开。解决方法：采用隔离技术，将不同元器件相互隔开。 实际生产中采用多种隔离方法。最简单的是实际生产中采用多种隔离方法。最简单的是PN结隔离结隔离 技术，将不同的
8、元器件之间用背靠背的技术，将不同的元器件之间用背靠背的PN结隔开，并结隔开，并 且将其中的且将其中的P区接至电路中的最低电位。区接至电路中的最低电位。 工艺过程如下：工艺过程如下： PN结隔离工艺流程结隔离工艺流程 (1)衬底硅片衬底硅片(P型型) (2) 外延外延生长生长N型硅型硅 (3)隔离氧化隔离氧化 (4) 隔离光刻隔离光刻 (5)隔离扩散隔离扩散 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 4. IC管芯中的特殊问题管芯中的特殊问题 (2) NPN晶体管集电区埋层的引入：晶体管集电区埋层的引入：IC中集电极互连中集电极互连 线必需从上表面引出，为了减小集电极串联电阻，增加线
9、必需从上表面引出，为了减小集电极串联电阻，增加 埋层并不增加工艺类型。埋层并不增加工艺类型。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 4. IC管芯中的特殊问题管芯中的特殊问题 (3) 元器件之间的互连：在元器件之间的互连：在NPN晶体管工艺中通过淀积金属晶体管工艺中通过淀积金属 和反刻工艺形成晶体管电极引出区时，可以同时实现和反刻工艺形成晶体管电极引出区时，可以同时实现IC内部的内部的 互连不增加工艺。互连不增加工艺。 (4) 集成电路中的其他元器件：可以在形成集成电路中的其他元器件：可以在形成NPN晶体管的同时，晶体管的同时， 生成生成IC中的其他元器件，例如电阻、电容、中的
10、其他元器件，例如电阻、电容、PNP晶体管等晶体管等(见见 10.3节节)。 结论：对采用结论：对采用PN结隔离的双极结隔离的双极IC基本工艺，与制基本工艺，与制 作作NPN晶体管的基本工艺相比，只需增加外延工艺，晶体管的基本工艺相比，只需增加外延工艺， 当然工艺步骤要增加不少，当然工艺步骤要增加不少，IC版图的层次也要增加。版图的层次也要增加。 复习：集成电路工艺基本流程复习：集成电路工艺基本流程 5. PN结隔离结隔离双极双极IC工艺基本流程工艺基本流程 衬底材料衬底材料(P型硅型硅) 埋层氧化埋层氧化埋层光刻埋层光刻埋层掺杂埋层掺杂(Sb)- 外延外延 (N型硅型硅)- 隔离氧化隔离氧化隔
11、离光刻隔离光刻隔离掺杂隔离掺杂(B) 基区氧化基区氧化基区光刻基区光刻基区掺杂基区掺杂(B)和发射区氧化和发射区氧化 发射区光刻发射区光刻发射区掺杂发射区掺杂(P)和氧化和氧化 引线孔光刻引线孔光刻淀积金属化层淀积金属化层 反刻金属互连线反刻金属互连线合金化合金化 后工序后工序 结论：结论： PN结隔离结隔离双极双极IC基本工艺包括基本工艺包括6次光刻次光刻 因此因此 版图中包括版图中包括6个层次。个层次。 PN结隔离双极结隔离双极IC中的中的NPN晶体管晶体管 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 双极双极IC的工艺流程是按照构成的工艺流程是按照构成NPN晶体管设计的。晶体管设计的。 在
12、构造在构造NPN晶体管的同时，生成晶体管的同时，生成IC中的其他元器件中的其他元器件。下。下 面是一种典型的面是一种典型的NPN晶体管结构。晶体管结构。 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 1. 其他其他NPN晶体管结构双基极条结构晶体管结构双基极条结构 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 2. 电阻电阻： RRsL/W Rs称为方块电阻，可以由工艺控制。称为方块电阻，可以由工艺控制。 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 3. 电容电容：可以采用两种结构类型。：可以采用两种结构类型。 MOS结构结构 PN结电容结构结电容结构 (Metal-Oxide-Semiconducto
13、r) 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 4. 二极管二极管 可以采用可以采用不同接法的不同接法的NPN晶体管晶体管 例如：例如： (1)用用BC结，发射极开路；结，发射极开路； (2)用用EB结，集电极开路；结，集电极开路； (3)用用EB结，结，BC短路；短路； (4)用用BC结，结，EB短路；短路； (5)用用BC结，结，CE短路；短路； (6)单独单独BC结结(无无发射区掺杂发射区掺杂)。 采用不同接法构成的二极管，采用不同接法构成的二极管， 其击穿电压、结电容等电参数各不相同。其击穿电压、结电容等电参数各不相同。 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 5. 横向横向PNP晶体管晶体管 双极双极IC中的基本元器件中的基本元器件 6. 纵向纵向PNP晶体管晶体管(注意：其集电区即为衬底材料，与注意：其集电区即为衬底材料，与 隔离墙相连隔离墙相连)
