第三章 - 雙極型集成電路的工藝與版圖設(shè)計(jì)

第三章雙極型集成電路的工藝與版圖設(shè)計(jì)§

3.1

雙極型IC的隔離技術(shù)

3.1.1pn結(jié)隔離技術(shù)

3.1.2等平面隔離技術(shù)§

3.2

雙極型晶體管制造工藝

3.2.1泡發(fā)射極工藝

3.2.2等平面II工藝§

3.3集成npn管的版圖設(shè)計(jì)

3.3.1集成npn管電極配置3.3.2典型的晶體管版圖圖形§

3.4雙極IC中的集成二極管3.4.1集成二極管的構(gòu)成方式

3.4.2集成二極管的剖面示意圖3/12/20241王向展§

3.5

橫向pnp、縱向pnp晶體管的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

3.5.1橫向pnp晶體管

3.5.2縱向pnp管（襯底pnp晶體管）§

3.6

雙極型IC對材料、工藝的要求§

3.7雙極工藝版圖設(shè)計(jì)的一般規(guī)則§

3.8微電子集成電路的可測性設(shè)計(jì)3/12/20242王向展本章重點(diǎn)1、雙極集成電路的寄生效應(yīng)2、TTL、S/LSTTL、AS/ALSTTL、ECL電路的電路結(jié)構(gòu)，工作原理和特點(diǎn)的分析與比較。3/12/20243王向展§3.1雙極型IC的隔離技術(shù)3.1.1pn結(jié)隔離技術(shù)目的是使做在不同隔離區(qū)的元件實(shí)現(xiàn)電隔離。為降低集電極串聯(lián)電阻rCS，在P型襯底與n型外延之間加一道n+埋層，提供IC的低阻通路。集電極接觸區(qū)加磷穿透擴(kuò)散（應(yīng)在基區(qū)擴(kuò)散之前進(jìn)行）可采用對通隔離技術(shù)圖3.1IC的結(jié)構(gòu)(a)半導(dǎo)體IC(b)混合IC(c)等效電路3/12/20244王向展對通隔離技術(shù)在n+埋層擴(kuò)散后，先進(jìn)行p+濃硼下隔離擴(kuò)散，去除氧化層后，生長n型外延，然后在進(jìn)行p+濃硼上隔離擴(kuò)散的同時(shí)，做縱向pnp管的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，這樣可縮短擴(kuò)散時(shí)間，使橫向擴(kuò)散尺寸大為降低，節(jié)省了芯片面積。圖3.2對通隔離技術(shù)示意圖3/12/20245王向展3.1.2等平面隔離技術(shù)利用Si的局部氧化LOCOS工藝實(shí)現(xiàn)pn結(jié)–介質(zhì)混合隔離技術(shù)，有利于縮小管芯面積和減小寄生電容。圖3.3等平面隔離工藝制成的晶體管剖面圖和版圖3/12/20246王向展§3.2

雙極型晶體管制造工藝圖3.4雙極晶體管制造工藝演變(a)平面工藝(b)泡發(fā)射極工藝(c)等平面工藝(d)第二代等平面工藝3/12/20247王向展3.2.1泡發(fā)射極工藝在發(fā)射區(qū)擴(kuò)散后，用1%的HF酸“泡”（漂洗）出發(fā)射區(qū)擴(kuò)散窗口（包括發(fā)射極接觸孔），此窗口即為E極接觸孔，晶體管尺寸減小，進(jìn)而CBC、CBE，可與淺結(jié)工藝配合制出高速、高集成度的IC。但由于Al在Si中的“滲透”較強(qiáng)，易造成EB結(jié)短路，因此需采用新的多層金屬化系統(tǒng)。發(fā)射極工藝的原理利用1%HF酸對PSG的腐蝕速度5nm/s，而對SiO2的為0.125nm/s，1分鐘可將300nm的PSG漂盡，而SiO2只去掉7.5nm，因此E極窗口被“泡”出后，周圍的SiO2腐蝕很少。3/12/20248王向展3.2.2第二代等平面工藝

在等平面I工藝的基礎(chǔ)上，將發(fā)射極與介質(zhì)隔離墻相接，使得器件尺寸和寄生電容，這主要是因?yàn)樵谘谀０婧凸杵峡讨崎L而窄的矩形比刻一個(gè)寬度相同但短的矩形容易得多。所以，等平面II工藝的發(fā)射區(qū)比等平面I的小，其CBE也小。其集電區(qū)面積比泡發(fā)射極工藝小70%以上，比第一代等平面工藝小40%以上。3/12/20249王向展§3.3

集成npn管的版圖設(shè)計(jì)3.3.1集成npn管電極配置圖3.5集成npn管電極配置實(shí)例3/12/202410王向展3.3.2

典型的晶體管版圖圖形圖3.6典型晶體管圖形(a)雙基極條管(b)П型集電極管(c)Γ型集電極管3/12/202411王向展

雙基極條圖形是IC中常用的一種圖形，允許通過更大的電流，其面積比單基極條稍大，所以特征頻率稍低；但基極電阻為單基極條的一半，其最高振蕩頻率比單基極條的高。

型和型集電極圖形增大了集電極面積，其主要特點(diǎn)是集電極串聯(lián)電阻小，飽和壓降低，可通過較大的電流，一般作輸出管。

雙極型功率管的版圖圖形采用了梳狀發(fā)射極和基極結(jié)構(gòu)，增寬了電流通路的截面積，允許通過更大的電流，發(fā)射區(qū)采用狹長條以減小趨邊（集邊）效應(yīng)。圖3.7功率管的圖形3/12/202412王向展§3.4

雙極型IC中的集成二極管3.4.1集成二極管的構(gòu)成方式在IC中，集成二極管的結(jié)構(gòu)除單獨(dú)的BC結(jié)外，通常由晶體管的不同連接方式而構(gòu)成多種形式，并不增加IC工序，而且可以使二極管的特性多樣化，以滿足不同電路的需要。圖3.8集成二極管的構(gòu)成方式3/12/202413王向展3.4.2

集成二極管的剖面示意圖圖3.9集成二極管的剖面圖(a)Vcb=0(b)Ic=0(c)Vcc=0(d)Veb=0(e)Ie=0(f)單獨(dú)BC結(jié)3/12/202414王向展六種集成二極管的特性比較3/12/202415王向展二極管接法的選擇由電路對正向壓降、動態(tài)電阻、電容、存儲時(shí)間和擊穿電壓的不同要求來決定。其中，最常用的有兩種：

BC結(jié)短接二極管，因?yàn)闆]有寄生PNP效應(yīng)，且存儲時(shí)間最短，正向壓降低，故一般DTL邏輯的輸入端的門二極管都采用此接法。

單獨(dú)的BC結(jié)二極管，因?yàn)椴恍枰l(fā)射結(jié)，所以面積可作得很小，正向壓降也低，且擊穿電壓高。3/12/202416王向展§3.5

橫向pnp、縱向pnp晶體管的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)3.5.1橫向pnp晶體管圖3.10橫向pnp管3/12/202417王向展

主要特點(diǎn)：

BVEBO高，主要是由于xjc深，

epi高之故。?電流放大系數(shù)

小，主要原因：

a.由于工藝限制，基區(qū)寬度不可能太小。

b.縱向寄生pnp管將分掉部分的發(fā)射區(qū)注入電流，只有側(cè)壁注入的載流子才對橫向pnp管的

有貢獻(xiàn)。

c.基區(qū)均勻摻雜，無內(nèi)建加速電場，主要是擴(kuò)散運(yùn)動。

d.表面遷移率低于體內(nèi)遷移率。

e.基區(qū)的表面復(fù)合作用。?頻率響應(yīng)差

a.平均有效基區(qū)寬度大，基區(qū)渡越時(shí)間長。

b.空穴的擴(kuò)散系數(shù)僅為電子的1/3。3/12/202418王向展?發(fā)生大注入時(shí)的臨界電流小

a.橫向pnp的基區(qū)寬度大，外延層Nepi低，空穴擴(kuò)散系數(shù)低。?擊穿電壓主要取決于CE之間的穿通。提高擊穿電壓與增大電流增益是矛盾的。3/12/202419王向展3.5.2

縱向pnp管(襯底pnp晶體管)圖3.11縱向pnp管3/12/202420王向展

主要特點(diǎn)：

縱向pnp管的C區(qū)為整個(gè)電路的公共襯底，直流接最負(fù)電位，交流接地。使用范圍有限，只能用作集電極接最負(fù)電位的射極跟隨器。?晶體管作用發(fā)生在縱向，各結(jié)面較平坦，發(fā)射區(qū)面積可以做得較大，工作電流比橫向pnp大。?襯底作集電區(qū)，不存在有源寄生效應(yīng)，故可以不用埋層。?外延層作基區(qū)，基區(qū)寬度較大，且硼擴(kuò)散p型發(fā)射區(qū)的方塊電阻較大，因此基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和發(fā)射效率較低，電流增益較低。?一般外延層電阻率

epi較大，使基區(qū)串聯(lián)電阻較大?？刹扇、B短接的方式，使外基區(qū)電阻=0，同時(shí)減小了自偏置效應(yīng)，抑制趨邊效應(yīng)，改善電流特性；還有助于減少表面復(fù)合的影響，提高電流增益。3/12/202421王向展

提高襯底pnp管電流增益的措施降低基區(qū)材料缺陷，減少復(fù)合中心數(shù)目，提高基區(qū)少子壽命。?適當(dāng)減薄基區(qū)寬度，采用薄外延材料。但同時(shí)應(yīng)注意，一般襯底pnp管與普通的npn管做在同一芯片上，pnp基區(qū)對應(yīng)npn管的集電區(qū)，外延過薄，將導(dǎo)致npn管集電區(qū)在較低反向集電結(jié)偏壓下完全耗盡而穿通。?適當(dāng)提高外延層電阻率，降低發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散薄層電阻，以提高發(fā)射結(jié)注入效率。?在襯底和外延層之間加p+埋層，形成少子加速場，增加值。注意在縱向pnp管