集成電路導(dǎo)論 Lesson_2.ppt

1、Lesson 2,集成電路導(dǎo)論Introduction to Integrated Circuits,第2章 半導(dǎo)體基本特性與晶體管工作原理,集成電路導(dǎo)論Introduction to Integrated Circuits,2.3 二極管,3,二極管的電流與電壓特性,PN結(jié)二極管是一種最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件。 二極管處于正向（P型區(qū)接正電壓，N型區(qū)接負(fù)電壓或者零電壓）時(shí)，有正向電流從P區(qū)流向N區(qū)，電流大小與外加正電壓呈指數(shù)關(guān)系。 二極管處于反向（P型區(qū)接負(fù)電壓，N型區(qū)接正電壓或者零電壓）時(shí)，有反向電流從N區(qū)流向P區(qū)，但這個(gè)反向電流非常小，以至可以忽略。 PN結(jié)二極管是一種單向?qū)щ娖骷?4,二極

2、管的電流與電壓特性,Is飽和電流 n 發(fā)射系數(shù)（用于描述空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，常規(guī)數(shù)值為1)。,二極管工作時(shí)管內(nèi)少數(shù)載流子的分布情況,正向偏置：外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)少數(shù)載流子離開空間電荷區(qū) 方向偏置外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)少數(shù)載流子向空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng),6,擴(kuò)散電容,正向偏置時(shí)，由于外電場(chǎng)作用，將P（N）區(qū)多數(shù)載流子驅(qū)動(dòng)越過空間電荷區(qū)注入N（P）區(qū)，形成過剩少數(shù)載流子分布。 體現(xiàn)為電容效應(yīng)擴(kuò)散電容（其作用比PN結(jié)電容大得多）,7,2.4 雙極型晶體管,雙極型晶體管簡(jiǎn)稱三極管，由兩個(gè)PN結(jié)組合構(gòu)成。 三極管的特點(diǎn)是具有電流放大作用。 雙極型晶體管由兩種載流子（空穴與電子）同時(shí)參與導(dǎo)電。 雙極晶體管的兩個(gè)PN結(jié)背靠背離

3、得很近，實(shí)際上它們共用一層非常薄的半導(dǎo)體（基區(qū)）。 雙極型晶體管有兩種類型：PNP型基區(qū)為N型半導(dǎo)體NPN型基區(qū)為P型半導(dǎo)體,8,2.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor）包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（Junction FET）金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor FET） 場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)電不同于雙極型三極管，只有一種載流子參與導(dǎo)電（又稱單極性晶體管） 場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過電壓改變內(nèi)部電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的控制，是一種電壓控制型器件。,9,第3章 集成電路中的器件結(jié)構(gòu),集成電路導(dǎo)論Introduction to Integra

4、ted Circuits,本章教學(xué)內(nèi)容,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法 3.2 二極管的結(jié)構(gòu) 3.3 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu) 3.4 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 3.5 電阻的結(jié)構(gòu) 3.6 電容的結(jié)構(gòu) 3.7 接觸孔、通孔和互連線,11,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,必要性： 一塊集成電路中含有百萬以至千萬個(gè)二極管、晶體管以及電阻、電容等器件，而且它們都是做在一個(gè)硅芯片上，即共有同一個(gè)硅片襯底。因此，如果不把它們?cè)陔妼W(xué)上一一隔離起來，那么各個(gè)元器件就會(huì)通過半導(dǎo)體襯底相互影響和干擾，以至整個(gè)芯片無法正常工作，這是集成電路設(shè)計(jì)和制造時(shí)首先要考慮的問題。為此要引入隔離技術(shù)，然后在隔離的基礎(chǔ)上根據(jù)電路要求

5、把相關(guān)的各元器件端口連接起來，以實(shí)現(xiàn)電路的功能。,12,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,電學(xué)隔離的方法： 在現(xiàn)代集成電路技術(shù)中，通常采用以下兩種電學(xué)隔離方法： 通過反向PN結(jié)進(jìn)行隔離； 采用氧化物（二氧化硅）加以隔離。 優(yōu)點(diǎn)： 能較好的實(shí)現(xiàn)直流隔離。 缺點(diǎn)： 增加芯片面積并引入附加的電容。,13,3.1 電學(xué)隔離的必要性和方法,14,15,3.2 二極管的結(jié)構(gòu),二極管的兩個(gè)引出端（P端和N端）必須在芯片的上方引出，二極管須與芯片中其他元器件隔離。 在P型襯底上外延生長(zhǎng)得到一層很薄的N型外延層 在指定區(qū)域進(jìn)行P型雜質(zhì)擴(kuò)散，形成N型“島”，同時(shí)形成PN結(jié)隔離區(qū)。 在N型“島”內(nèi)形成P型區(qū)，P型區(qū)與

6、N型外延層形成PN結(jié)。 重?fù)诫s形成N+區(qū)，得到與N型外延層的歐姆連接，由金屬鋁作為引出端。,16,二極管制作步驟和實(shí)際結(jié)構(gòu),17,3.3 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu),18,在三極管下方形成一PN結(jié)，集電極與襯底隔離,三極管之間的隔離,19,用氧化物（二氧化硅）把每一個(gè)三極管包圍起來，將各個(gè)三極管在橫向上相互隔離起來。,采用掩埋層結(jié)構(gòu),20,氧化層隔離,PN結(jié)環(huán)隔離,先進(jìn)雙極型三極管工藝結(jié)構(gòu),21,Oxide,Oxide,3.4 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu),第3章 集成電路中的器件結(jié)構(gòu),寄生MOS管,23,當(dāng)兩個(gè)MOS管之間存在金屬走線，會(huì)形成寄生MOS管，一旦該管導(dǎo)通，將使電路工作出現(xiàn)混亂。,厚場(chǎng)氧化層

7、提高寄生管閾值電壓,24,在MOS管之間生成厚氧化層，這樣寄生管的閾值電壓大大提高，一般比電源電壓高出許多！從而保證寄生MOS管永遠(yuǎn)不會(huì)導(dǎo)通，起到橫向隔離作用。,CMOS電路的結(jié)構(gòu),一種既包含N溝MOS管又包含P溝的MOS管的電路成為互補(bǔ)型MOS電路（complementary MOS）簡(jiǎn)稱CMOS電路。 為了使兩種不同類型的MOS管做在同一個(gè)硅片襯底上，就先要在硅襯底上形成一N阱（N-well）或P阱（P-well）。,25,P阱CMOS芯片剖面示意圖,26,N阱CMOS芯片剖面示意圖,27,（1） （2）,（3） （4）,P阱注入,N阱注入,襯底準(zhǔn)備,光刻P阱,去光刻膠,生長(zhǎng)SiO2,雙阱

8、CMOS工藝,28,（5） （6）,（7） （8）,生長(zhǎng) Si3N4,有源區(qū),場(chǎng)區(qū)注入,形成厚氧,多晶硅淀積,29,（9） （10）,（11） （12）,N+注入,P+注入,表面生長(zhǎng)SiO2薄膜,接觸孔光刻,30,（13）,淀積鋁形成鋁連線,雙阱CMOS工藝,31,3.5 電阻的結(jié)構(gòu),集成電路中實(shí)現(xiàn)電阻有多種方式： 1. 晶體管結(jié)構(gòu)中不同材料層的片式電阻（不準(zhǔn)確） 2. 專門加工制造的高質(zhì)量高精度電阻 3. 互連線的傳導(dǎo)電阻 4. 采用特殊連接的晶體管，構(gòu)成有源電阻,32,單線和U-型電阻,33,34,直流電阻 Ron交流電阻 rds,柵、漏短接并工作在飽和區(qū)的MOS有源電阻,NMOS,PMO

9、S,35,直流電阻 Ron交流電阻 rds,條件：VGS保持不變,VGS保持不變的飽和區(qū)有源電阻,36,( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流電阻 Ron交流電阻 rds,有源電阻的幾種形式,3.6 電容的結(jié)構(gòu),在高速集成電路中，有多種實(shí)現(xiàn)電容的方法： 1. 二極管或三極管的結(jié)電容 2. 叉指金屬結(jié)構(gòu)電容 3. 金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容 4. 多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅電容,37,叉指結(jié)構(gòu)電容,38,金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容,39,3.7 接觸孔、通孔和互連線,為了使各類器件的端口能夠被引出，在集成電路制造時(shí)需在表面的二氧化碳層上指定的位置處開出了一個(gè)孔，這個(gè)孔稱之為接觸孔（contact）。這個(gè)孔位置處的硅被暴露出來后，直接淀積上金屬層，使金屬與硅直接接觸形成歐姆接觸。 另一種孔稱為（via），用于多層金屬連線之間的直接連通。它是在兩層金屬之間的絕緣層上開出一個(gè)孔，在淀積上一層金屬連線時(shí)，使金屬物進(jìn)入孔中而使上下兩