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1、集成电路设计基础,2004年,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 5.3 HBT工艺 5.4 MESFET和HEMT工艺 5.5 MOS工艺和相关的VLSI工艺 5.6 PMOS工艺 5.7 NMOS工艺 5.8 CMOS工艺 5.9 BiCMOS工艺,2,第五章IC有源元件与工艺流程,5.1 概述,表 5.1,3,图5.1 几种IC工艺速度功耗区位图,4,5.2双极性硅工艺,早期的双极性硅工艺：NPN三极管,图5.2,5,5.2双极性硅工艺,先进的双极性硅工艺：NPN三极管,图5.2,6,5.3HBT工艺,(a) (b) 图5.3 GaAs HBT的剖面图(a)
2、和能带结构(b),7,5.4MESFET和HEMT工艺,GaAs工艺：MESFET,图5.4 GaAs MESFET的基本器件结构,8,GaAs工艺：HEMT,图5.5 简单HEMT的层结构,9,GaAs工艺：HEMT工艺的三明治结构,图5.6 DPD-QW-HEMT的层结构,10,Main Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTs,HEMT-Type,Parameters,E-HEMT,D-HEMT,V,th,0.05 V,-0.7 V,I,dsmax,200 mA/mm,(V,gs,= 0.8 V),180 mA/mm,(V,gs,= 0 V),
3、G,m,500 mS/mm,400 mS/mm,R,s,0.6,W,mm,0.6,W,mm,f,T,45 GHz,40 GHz,表 5.2 : 0.3 m 栅长HEMT的典型参数值,11,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。,12,5.5 MOS工艺和相关的VLSI工艺,13,图5.7 MOS工艺的分类,14,认识MOSFET,线宽(Linewidth), 特征尺寸(Feature Size)指什么？,15,M
4、OS工艺的特征尺寸(Feature Size),特征尺寸: 最小线宽 最小栅长,图 5.8,16,5.6 PMOS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 5.9,17,铝栅PMOS工艺特点：,l铝栅，栅长为20m。 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80100ns。 l集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。,18,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
5、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。,19,Al栅MOS工艺的栅极位错问题,图 5.10,20,5.6.2 铝栅重叠设计,栅极做得长，同S、D重叠一部分,图 5.11,21,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。,22,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。,23,5.6.3 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，
6、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。,24,标准硅栅PMOS工艺,图 5.12,25,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。,26,5.7NMOS工艺,由于电子的迁移率e大于空穴的迁移率
7、h，即有e2.5h, 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。,27,5.7.1 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CMOS VLSI的设计. GaAs逻辑电路的形式和众
8、多电路的设计方法与NMOS工艺基本相同.,28,5.7.2 增强型和耗尽性MOSFET (Enhancement mode and depletion mode MOSFET),FET（Field Effect Transisitor） 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,29,E-/D-NMOS和E-PMOS的电路符号,图 5.13,30,E-NMOS的结构示意图(增强型VD=0V, Vgs=Vsb=0V),图5.14 E-NMOS的结构示意图,31,D-NMOS的结构示意图(耗尽型 VD=0
9、V, Vgs=Vsb=0V),图5.14 D-NMOS的结构示意图,32,E-PMOS的结构示意图 (增强型 VD=0V, Vgs=Vsb=0V),图5.14 E-PMOS的结构示意图,33,5.7.3 E-NMOS工作原理图,VgsVt，Vds=0V,图5.15 不同电压情况下E-NMOS的沟道变化,34,E-NMOS工作原理图,VgsVt，VdsVgs-Vt,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,VgsVt，VdsVgs-Vt,图5.15 不同电压情况下E-NMOS的沟道变化,36,5.7.4 NMOS工艺流程,图5.16 NMOS工艺的基本流程,
10、37,表5.3 NMOS的掩膜和典型工艺流程,38,图5.17 NMOS反相器电路图和芯片剖面示意图,39,5.8 CMOS工艺,进入80年代以来，CMOS IC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。,40,5.8.1 1Poly-, P阱CMOS工艺流程,图 5.18,41,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,42,5.8.2 典型1P2M n阱CMOS工艺主要步骤,图5.19,43,CMOS反相器电路图和芯片剖面示意图,图 5.20,44,CMOS的
11、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。,5.9 BiCMOS工艺,45,BiCMOS工艺的特点就是在CMOS工艺的基础上加入双极性器件的特殊的工序,表5.5,46,BiCMOS工艺下NPN晶体管的俯视图和剖面图,图 5.21,47,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.9.2620.9.26Saturday, September 26, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。03:58:
12、3803:58:3803:589/26/2020 3:58:38 AM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.9.2603:58:3803:58Sep-2026-Sep-20 4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。03:58:3803:58:3803:58Saturday, September 26, 2020 5、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。20.9.2620.9.2603:58:3803:58:38September 26, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年9月26日星期六上午3时58分38秒03:58:3820.9.26 7、最具
13、挑战性的挑战莫过于提升自我。2020年9月上午3时58分20.9.2603:58September 26, 2020 8、业余生活要有意义，不要越轨。2020年9月26日星期六3时58分38秒03:58:3826 September 2020 9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。上午3时58分38秒上午3时58分03:58:3820.9.26 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。9/26/2020 3:58:38 AM03:58:382020/9/26 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。9/26/2020 3:58 AM9/26/2020 3:58 AM20.9.2620.9.26 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。26-Sep-2026 September 202020.9.26 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。Saturday, September 26, 202026-Sep-2020.9.26 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己眷恋了。20.9.2603:58:3826 September 202003:58,谢谢大家,
