芯片制造半導(dǎo)體工藝課件 第十六章 器件技術(shù)

半導(dǎo)體制造技術(shù)

西安交通大學(xué)微電子技術(shù)教研室

第16章

器件技術(shù)

目標(biāo)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，將能夠：1. 辨別出模擬和數(shù)字、有源和無(wú)源器件的不同。說(shuō)明在無(wú)源器件中寄生結(jié)構(gòu)的影響；2. 對(duì)PN結(jié)進(jìn)行描述，討論其重要性，并解釋其反向偏壓和正向偏壓的不同；3. 描述雙極技術(shù)特征和雙極晶體管的功能，偏壓、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；4. 描述CMOS技術(shù)的基本特征，包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管、偏壓現(xiàn)象以及CMOS反相器5. 描述MOSFET增強(qiáng)型和耗盡型之間的區(qū)別；6. 描述寄生晶體管的影響和CMOS閂鎖效應(yīng)的本質(zhì)；7. 列舉一些集成電路產(chǎn)品，描述其各自的一些應(yīng)用。引言用于微芯片的電子器件是在襯底上構(gòu)建的。通用的微芯片器件包括電阻、電容、熔絲、二極管和晶體管。它們?cè)谝r底上的集成是集成電路芯片制造技術(shù)的基礎(chǔ)。硅片上電子器件的形成方式被稱為結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)有成千上萬(wàn)鐘。這里只能列舉出其中的一部分。本章將討論器件的實(shí)際形成，以了解它們?cè)趹?yīng)用中是怎樣發(fā)揮作用的。同時(shí)，本章還將對(duì)集成電路產(chǎn)品的不同分類(lèi)進(jìn)行回顧。印刷電路板上的元件電路類(lèi)型模擬電路

在電子技術(shù)中，模擬電路是指其電參數(shù)在一定電壓、電流、功耗值范圍內(nèi)變化的一種電路。模擬電路可以設(shè)計(jì)成由直流（DC）、交流（AC）或者兩者的混合，以及脈沖電流來(lái)作為工作電源。以模擬電路為工作原理的電子產(chǎn)品有：無(wú)線電發(fā)射器和接收器、聲音的錄制和回放裝置等。然而輸入輸出信號(hào)的放大不能總是與預(yù)定的值相符。例如。用AM/FM收音機(jī)搜索電臺(tái)時(shí)，不是所有無(wú)線信號(hào)都有相同的信號(hào)強(qiáng)渡。因此，音量的控制必須根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)度作調(diào)整。數(shù)字電路

數(shù)字電路在兩種性質(zhì)不同的電平信號(hào)－－高電平和低電平下工作。邏輯高電平用二進(jìn)制數(shù)字1表示，邏輯低電平用二進(jìn)制0表示。數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)和計(jì)算器等邏輯器件有關(guān)。其他數(shù)字邏輯器件包括：時(shí)鐘、手柄式電腦游戲以及條形碼閱讀器。數(shù)字器件可用于測(cè)量并控制事件結(jié)果：要求既有開(kāi)/關(guān)型命令，又能受模擬線性電路分立增量變化的控制。這也正是今天區(qū)別模擬器件和數(shù)字器件如此困難的原因所在。高低電平準(zhǔn)確數(shù)值取決于特別的器件技術(shù)。下面是兩個(gè)邏輯電平的例子：邏輯類(lèi)型高電平＝1低電平＝0TTL5VDC0.0VDCCMOS3.5VDC0.0VDC無(wú)源元件結(jié)構(gòu)在電路中電阻和電容都是無(wú)源元件。因?yàn)檫@些元件無(wú)論怎樣和電源連接，它們都能傳輸電流。例如，一個(gè)電阻無(wú)論是與電源的正極還是負(fù)極連接，它都能傳輸同樣的電流。集成電路電阻結(jié)構(gòu)

集成電路中的電阻可以通過(guò)金屬膜、摻雜的多晶硅，或者通過(guò)雜質(zhì)擴(kuò)散到襯底的特定區(qū)域產(chǎn)生。這些電阻是微結(jié)構(gòu)，因此它們只占用襯底很小的區(qū)域。電阻和芯片電路的連接是通過(guò)與導(dǎo)電金屬（如鋁、鎢等）形成接觸實(shí)現(xiàn)的(見(jiàn)下圖）。ExamplesofResistorStructuresinICsn-Substrate

Metalcontact

FilmtyperesistorSiO2,dielectricmaterial

Metalcontactn-p-DiffusedresistorSiO2,dielectricmaterialFigure3.1

寄生電阻結(jié)構(gòu)寄生電阻是在集成電路元件設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的多余電阻。它存在于器件結(jié)構(gòu)中是因?yàn)槠骷某叽?、形狀、材料?lèi)型、摻雜種類(lèi)以及摻雜數(shù)量。寄生電阻不是我們所需要的，因?yàn)樗鼤?huì)降低集成電路器件的性能。下圖表示了晶體管中寄生電阻的位置。寄生電阻是可積累的，這意味著一串電阻總的效應(yīng)比單個(gè)電阻大。在集成電路器件中。這些寄生電阻的影響成為能否降低芯片上器件特征尺寸的關(guān)鍵因素。隨著集成度的提高，電阻將會(huì)增加，是電性能總體下降。為此設(shè)計(jì)者可選用低電阻金屬作為接觸層和特別工藝設(shè)計(jì)以減小有源器件的體（bulk）電阻。CrossSectionofParasiticResistancesinaTransistorRECREBRBBRBCRCCRCBMetalcontactresistanceBulkresistancen+

n+p-

BaseEmitterCollectorp-SubstrateFigure3.2

集成電路電容結(jié)構(gòu)大家知道，一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器是由兩個(gè)分立的導(dǎo)電層被介質(zhì)（絕緣）材料隔離開(kāi)而形成的。微芯片制造中介質(zhì)材料通常是二氧化硅（SiO2）,平面型電容器的導(dǎo)電層可由金屬薄層、摻雜的多晶硅，或者襯底的擴(kuò)散區(qū)形成。通常襯底上的電容器由4鐘基本工藝組成（見(jiàn)下圖）。集成電路中電容結(jié)構(gòu)示例SubstrateOxidedielectricMetalcontactsSubstrateDielectricmaterial(oxide)2nddopedpolylayerMetalcontactto1stpoly1stdopedpolylayerSubstrateMetalcontacttodiffusedregionDopedpolylayerp-DiffusedregionSubstrate1st,n+polyplate2nd,n+polyplateDielectricmaterial(oxide)Figure3.3

晶體管中寄生電容器示例nnnSDGp-SubstrateoxidedopedpolyFieldeffecttransistorBipolarjunctiontransistornpnCEBp-SubstrateFigure3.4

有源元件結(jié)構(gòu)pn

結(jié)二極管雙極晶體管肖特基二極管雙極集成電路技術(shù)CMOS集成電路技術(shù)增強(qiáng)型和耗盡型MOSFETp-SubstrateCathodeAnodepnjunctiondiodeMetalcontactHeavilydopedpregionHeavilydopednregionBasicSymbolandStructure

ofthepnJunctionDiodeFigure3.5

Open-CircuitConditionofapnJunctionDiode}p-typeSin-typeSiDepletionregionCathodeAnodeMetalcontactPotentialhill0BarriervoltageChargedistributionofbarriervoltageacrossapnJunction.Figure3.6

pn3VLampOpen-circuitcondition(highresistance)Reverse-BiasedPNJunctionDiodeFigure3.7

Forward-BiasedPNJunctionDiodepn3VHoleflowElectronflowLampFigure3.8

ForwardandReverseElectricalCharacteristicsofaSiliconDiode12010080604020.4.81.21.6+I-V+V-IBreakdownvoltageLeakagecurrentReversebiascurveForwardbiascurveJunctionvoltageFigure3.9

TwoTypesofBipolarTransistorsPhysicalstructurepnpEmitterCollectorBaseBCEpnptransistorSchematicsymbolPhysicalstructureBCEEmitterCollectorBasenpnnpntransistorSchematicsymbolFigure3.10

NPNTransistorBiasingCircuit

Lamp1.5VnpnS1BCE3VNonconductionmodeConductionmodeElectron flowe-e-h+1.5V

n

p

nS1BCE

3VLampFigure3.11

PNPtransistorbiasingcircuitNonconductionmode1.5VpnpS1BCE3VLampConductionmode

Holeflowh+e-1.5V

p

n

pS1BCE3Vh+LampFigure3.12

CrossSectionofanNPNBJTp-substraten+pn+MetalcontactCEBFigure3.13

肖特級(jí)二極管肖特級(jí)二極管是由金屬和輕摻雜的n型半導(dǎo)體材料接觸形成的（見(jiàn)下圖）。這種形式器件的工作原理與普通二極管相似－－正偏時(shí)低電阻，反偏時(shí)高電阻。硅肖特級(jí)二極管的正向結(jié)電壓降（0.3～0.5V），幾乎是硅pn結(jié)二極管（0.6～0.8V）的一半。肖特級(jí)二極管的最大優(yōu)勢(shì)是其電導(dǎo)完全取決于電子，這使其從開(kāi)到關(guān)的時(shí)間更快。肖特級(jí)二極管的發(fā)明使雙極集成電路技術(shù)得以在21世紀(jì)繼續(xù)應(yīng)用。肖特級(jí)二極管的概念已用于高速和更高功效的雙極集成電路的發(fā)展中。SchematicSymbolandStructuralCrossSectionoftheSchottkyDiodeSchottkycontactNormalohmiccontactAnodeCathoden-n+Figure3.14

雙極邏輯的種類(lèi)Table3.1

CMOSICTechnologyTheFieldEffectTransistorMOSFETsnMOSFETpMOSFETBiasingthenMOSFETBiasingthepMOSFETCMOSTechnologyBiCMOSTechnologyEnhancementandDepletion-ModeCMOS集成電路技術(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）場(chǎng)效應(yīng)晶體管最早是為了解決能源消耗而提出的，誕生于20世紀(jì)70年代。后來(lái)發(fā)現(xiàn)FET是既節(jié)省能源又利于提高集成度的電子器件。盡管FET的早期實(shí)驗(yàn)應(yīng)回到20世紀(jì)30年代，但第一批大量生產(chǎn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在60年代成為現(xiàn)實(shí)。從第一批改進(jìn)的FET一直被使用。現(xiàn)在最流行的集成電路技術(shù)是COMS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)，它是圍繞著FET設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展而發(fā)展的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最大優(yōu)勢(shì)是它的低電壓和低功耗。它的開(kāi)啟是輸入電壓加到柵上產(chǎn)生的電場(chǎng)的結(jié)果－－因此稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。FET在線性/模擬電路中作為放大器以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件使用。它的高輸入阻抗和適中的放大特性使其成為一種卓越的器件被廣泛應(yīng)用。它的低功耗和可壓縮性使其極適用于一直在縮小尺寸的ULSI工藝。FET有兩種基本類(lèi)型：結(jié)型（JFET）和金屬－氧化物型（MOSFET）半導(dǎo)體。區(qū)別在于MOSFET作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入端的柵極由一層薄介質(zhì)（SiO2）與其他兩極絕緣。JFET的柵極實(shí)際上同晶體管其他電極形成物理的pn結(jié)。nMOSFET(n-channel)GateSourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+SourceGateDrainSubstratepMOSFET(p-channel)SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateSourceGateDrainSubstrateTwoTypesofMOSFETsFigure3.15

VDD=+3.0VOpengate(nocharge)Lamp(noconduction)SourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+GateVGG=+0.7VS1BiasingCircuitforanNMOSTransistorFigure3.16

NMOSTransistorinConductionModeS1IDSVDD=+3.0VPositivechargeLampe-e-e-++++++++++++++++++SourceDrainp-typesiliconsubstrateGaten+n+HolesVGG=+0.7VFigure3.17

ExampleofCharacteristicsCurves

ofanN-channelMOSFETFigure3.18

6005004003002001000VGS=+5VVGS=+4VVGS=+3VVGS=+2VVGS=+1V0123456Drain-SourceVoltage,VDS(volts)DrainCurrent,IDS(ma)SaturationRegionLinearRegionVDD=-3.0VOpengate(nocharge)Lamp(noconduction)SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateVGG=-0.7VS1BiasingCircuitforaP-ChannelMOSFETFigure3.19

IDSVDD=-3.0VLampe-e-e-GateSourceDrain------------------------n-typesiliconsubstrateElectronsp+p+NegativechargeVGG=-0.7VS1PMOSTransistorinConductionModeFigure3.20

COMS技術(shù)以MOSFET為基礎(chǔ)的IC制造，多年來(lái)都集中在單一的n溝道MOSFET技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品制造和開(kāi)發(fā)上。盡管分立的pMOS

晶體管在特定電子應(yīng)用方面適合很多適用的功能，但是通常nMOS集成電路器件替代了pMOS技術(shù)。因此，nMOS成為絕大多數(shù)集成電路制造商的選擇。COMS是在同一集成電路上nMOS和pMOS混合。功耗、設(shè)計(jì)等比縮放技術(shù)和制造工藝的改進(jìn)相結(jié)合使CMOS技術(shù)在20世紀(jì)80年代就成了一種最普遍地器件技術(shù)。等比縮放用于描述綜合尺寸和現(xiàn)有的IC工作電壓的縮小過(guò)程。所有尺寸和電壓都必須在通過(guò)設(shè)計(jì)模型應(yīng)用時(shí)統(tǒng)一縮小，這些模型是IC設(shè)計(jì)者們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)階段使用的。SGInputD+VDDDSGOutputpMOSFETnMOSFET-VSSCMOS反相器的電路圖Figure3.21

CMOS反相器CMOS反相器電路的功效產(chǎn)生于輸入信號(hào)為零的轉(zhuǎn)換期。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)晶體管沒(méi)有功耗。nMOS、TTL和ECL電路與CMOS的不同在于即使是沒(méi)有輸入信號(hào)，這些邏輯器件也會(huì)消耗功耗。這也是現(xiàn)在原意在諸如計(jì)算器、時(shí)鐘、移動(dòng)電話和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品的制造中使用COMS集成電路技術(shù)的主要原因。簡(jiǎn)單CMOS反相器的物理結(jié)構(gòu)如下面的頂視圖和截面圖所示。pMOSFETnMOSFET

-VSS+VDDSDDSGGn-typesiliconsubstratep-wellp+p+n+n+n-wellPolysiliconMetalTopViewofCMOSInverterFigure3.22

-VSS+VDDSDDSGGp+p+p-welln+n+n-typesiliconsubstraten+p+pMOSFETnMOSFETFieldoxideInterlayerOxideMetalCross-sectionofCMOSInverterFigure3.23

BiCOMSBiCOMS技術(shù)就是將CMOS和雙極技術(shù)的優(yōu)良性能集中在同一集成電路器件中。BiCOMS綜合了COMS結(jié)構(gòu)的低功耗、高集成度和TTL或ECL器件結(jié)構(gòu)的高電流驅(qū)動(dòng)能力。BiCOMS產(chǎn)品的應(yīng)用能在所有需要復(fù)查高功耗負(fù)載的數(shù)字控制中。在這種情況下，數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器芯片可以用來(lái)提供用作電子機(jī)械設(shè)備的控制模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在測(cè)試儀器端口，模/數(shù)（A/D）芯片可以用于測(cè)量模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。下圖表示了一個(gè)BiCOMS芯片用于使用儀器和控制應(yīng)用的基本例子。BiCOMS芯片的其他應(yīng)用包括汽車(chē)電子設(shè)備、航空航天、機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)設(shè)備。BiCMOSChipsusedintheControlofaSimpleHeatingSystemmVMeasuredsignalCPUOutputInputBiCMOSBiCMOSDACADCDigitalsideSetpointFeedback0-5V0-5VAMPAMPDrivesignalAnalogsideHeatingelementProcesschamberTemperaturesensor+48VDCFigure3.24

CMOSsectionBipolarsectionINPUTOUTPUTQ1Q2Q3Q4SimpleBiCMOSInverterFigure3.25

ComparisonofEnhancementandDepletionModeMOSFETsGateSourceDrainp-typesiliconsubstraten+n+SourceGateDrainp+p+n-typesiliconsubstrateGateSourceDrainn-typesiliconsubstratep+p+p-typesiliconsubstrateGateSourceDrainn+n+p-typesiliconsubstrateFigure3.26

COMS器件的閂鎖效應(yīng)與寄生電阻和寄生電容一樣，CMOS器件中的pn結(jié)也能產(chǎn)生寄生晶體管，下圖說(shuō)明了CMOS反相器中的寄生晶體管。互補(bǔ)晶體管(T1、T2)是在CMOS結(jié)構(gòu)中MOSFET正常制作的結(jié)果。給定某一工作條件可能開(kāi)啟寄生晶體管，并且產(chǎn)生低電阻電流路徑流過(guò)CMOS結(jié)構(gòu)。晶體管被鎖定，因而阻止了CMOS器件中對(duì)MOSFET的控制。閂鎖現(xiàn)象是一個(gè)非常復(fù)查的概念。了解此概念有助于大家為阻止這種現(xiàn)象所采用的設(shè)計(jì)和制作步驟。T1T2RSn-typesubstrateVSSVDDSDDSGGp+p+p-welln+n+n+p+pMOSFETnMOSFETRWLatchupinCMOSDevicesFigure3.27

ParasiticJunctionTransistorswithinaCMOSStructure阻止閂鎖效應(yīng)的制作技術(shù)在晶體管之間制作隔離緩沖區(qū)；在襯底和CMOS結(jié)構(gòu)之間設(shè)置外延層；用離子注入產(chǎn)生倒摻雜阱。IntegratedCircuitProductsLinearICProductsOperationalAmplifierVoltageRegulatorStepperMotorDriverDigitalICProductsVolatileMemoryRAMDRAMSRAMMPUorCPUDigitalICProducts(continued)NonvolatileMemoryROMPROMEPROMEEPROMASICPLDPALPLAMPGAFPGA數(shù)字集成電路產(chǎn)品類(lèi)型非永久性存儲(chǔ)器是一種允許數(shù)據(jù)根據(jù)需要儲(chǔ)存并改變的半導(dǎo)體器件。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)非永久性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)丟失。此類(lèi)存儲(chǔ)器適用于電腦、計(jì)算器以及自動(dòng)化、航空宇宙、醫(yī)學(xué)、軍事和工業(yè)設(shè)備裝置。包括：RAM

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，是一種能讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者擦除數(shù)據(jù)并用新數(shù)據(jù)重寫(xiě)的器件。想要改變存儲(chǔ)在內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)不必將RAM芯片從印刷電路板上拔下。它的內(nèi)容可以很容易在正常邏輯系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)改變。DRAM

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，是最普通和成本最低的RAM。術(shù)語(yǔ)“動(dòng)態(tài)”是指存儲(chǔ)電容器必須有規(guī)律地使用更新電壓以保留數(shù)據(jù)。DRAM需要更高的電能運(yùn)行電容器。SRAM

靜態(tài)存儲(chǔ)器，它是使用觸發(fā)器作為存儲(chǔ)寄存器。SRAM不需要更新，因此它比DRAM需要的電能低。數(shù)據(jù)在電源移開(kāi)時(shí)同時(shí)消失。MPU或CPU

微處理單元（也稱中央處理單元）是對(duì)單獨(dú)或內(nèi)部的ROM發(fā)出指令程序的復(fù)查邏輯集成電路。MPU能判定并執(zhí)行數(shù)學(xué)功能。可用在任何需要控制功能或者計(jì)算功能的應(yīng)用中。數(shù)字集成電路產(chǎn)品類(lèi)型固定存儲(chǔ)器

是一種設(shè)計(jì)成以電子電荷的形式存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的半導(dǎo)體器件。電荷甚至在電源關(guān)閉時(shí)也保留在存儲(chǔ)器中?？捎迷谌魏芜壿嬛噶畋仨毚鎯?chǔ)以備以后讀取的應(yīng)用中。包括：ROM只讀存儲(chǔ)器，在集成電路制造過(guò)程中數(shù)據(jù)就直接編寫(xiě)在里面了。這里也提及掩膜可編程ROM。這種在制作過(guò)程中使用的掩膜裝置包含了特定ROM的數(shù)據(jù)模式。ROM的制造成本非常昂貴。ROM是固定存儲(chǔ)器的最早形式。用