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IC有源元件和工艺流程介绍第五章 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工艺第五章 IC有源元件与工艺流程 5.1 概述表 5.1本资料来源图5.1 几种IC工艺速度功耗区位图5.2 双极性硅工艺 早期的双极性硅工艺：NPN三极管图5.25.2 双极性硅工艺先进的双极性硅工艺：NPN三极管图5.25.3 HBT工艺(a) (b)图5.3 GaAs HBT的剖面图(a)和能带结构(b)5.4 MESFET和HEMT工艺 GaAs工艺：MESFET图5.4 GaAs MESFET的基本器件结构GaAs工艺：HEMT图5.5简单HEMT的层结构GaAs工艺：HEMT工艺的三明治结构图5.6 DPD-QW-HEMT的层结构Main Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTsHEMT-TypeE-HEMTD-HEMTParametersV0.05 V-0.7 Vth200 mA/mm180 mA/mmIdsmax(V = 0.8 V)(V = 0 V)gsgsG500 mS/mm400 mS/mmmRWW0.6 ·mm0.6 ·mms f 45 GHz40 GHzT表 5.2 : 0.3 ?m 栅长HEMT的典型参数值与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。 5.5 MOS工艺和相关的VLSI工艺图5.7 MOS工艺的分类 认识MOSFET线宽(Linewidth), 特征尺寸(Feature Size)指什么？MOS工艺的特征尺寸(Feature Size)特征尺寸: 最小线宽?最小栅长图 5.85.6 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铝栅PMOS工艺特点：l 铝栅，栅长为20?m。l N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80?100ns。l 集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。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。Al栅MOS工艺的栅极位错问题图5.105.6.2 铝栅重叠设计栅极做得长，同S、D重叠一部分图5.11铝栅重叠设计的缺点l CGS、CGD都增大了。l 加长了栅极，增大了管子尺寸，集成度降低。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。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，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。标准硅栅PMOS工艺图5.12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。5.7 NMOS工艺 由于电子的迁移率?e大于空穴的迁移率?h，即有?e?2.5?h, 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。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