第三章-双极型集成电路工艺与版图设计
- 格式：ppt
- 大小：6.25 MB
- 文档页数：23
下载文档原格式
合集下载
集成电路工艺基础及版图设计
氧化环境中使硅表面发生氧化, 生成SiO2 薄膜。
滤气 球 O2
流量 控制
二通
温度 控制
硅片 氧化 炉
石英 管 温度 控制
图2 - 1 热氧化示意图
❖
根据氧化环境的不同， 又可把热
氧化分为干氧法和湿氧法两种。 如果氧
化环境是纯氧气， 这种生成SiO2薄膜的 方法就称为干氧法。 干氧法生成SiO2薄 膜的机理是： 氧气与硅表面的硅原子在
（2 -4）
SiH4+2O2→SiO2↓+2H2O
❖ 2.2.2 掺杂工艺
❖
集成电路生产过程中要对半导体
基片的一定区域掺入一定浓度的杂质元
素， 形成不同类型的半导体层， 来制作
各种器件， 这就是掺杂工艺。 由此可见，
掺杂工艺也是一种非常重要的基础工艺。
掺杂工艺主要有两种： 扩散工艺和离子
注入工艺。
间测试之前的所有工序。 前工序结束时，
半导体器件的核心部分——管芯就形成了。
前工序中包括以下三类工艺：
❖
（1） 薄膜制备工艺： 包括氧化、工艺： 包括离子注入和
扩散。
❖
（3） 图形加工技术： 包括制版和
❖
2) 后工序
❖
后工序包括从中间测试开始到器
❖
1. 扩散工艺
❖
物质的微粒总是时刻不停地处于
❖
扩散的机理有两种： 替位扩散和
填隙扩散。 在高温的情况下， 单晶固体
中的晶格原子围绕其平衡位置振动， 偶
然也可能会获得足够的能量离开原来的
位置而形成填隙原子， 原来的位置就形
成空位, 而邻近的杂质原子向空位迁移，
这就是杂质的替位扩散方式。 杂质原子
双极型集成电路PPT课件
2021/1/3
29
电路的特点是：
➢ 输入级：当输出端由低电平转向
R1
R2
R4 VCC
高电平时，也就是T1由正向导通转
向反向导通、T2由截止转向导通的 A
过程，在此过程中T1可反抽T2基区 中的过剩载流子，使电路的平均传 输延迟时间tpd下降，从而提高了
C2
T4
T1
T2
D1
E2
R3
D2 Y
T5
电路的工作速度。
2021/1/3
t t
25
• 平均传输延迟时间tpd
导通延迟时间tPHL ：输入波形上升沿的50%幅值处到 输出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间，
截止延迟时间tPLH：从输 入波形下降沿50% 幅值
处到输出波形上升沿
50% 幅值处所需要的时
间，
平均传输延迟时间tpd：
t
pdt
P
LHt 2
P
HL
1.4V B1
A B C
VOH=5V
IC1 B2
0.7V
IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA ∴ IB2≈0.9mA
T2管的发射结正偏 1）集电结反偏,工作在正向工作区 2)集电结正偏，则工作在饱和区
14
假设T2管工作在正向放大区
IB2≈0.9mA ßF=20
IC2=ßFIB2=18mA
高噪声容限
NML=VIL(max)-VOL(max) 噪声
低噪声容限
有效低电平输出
VOL(max)
2021/1/3
VOL(max)<VIL(max) VIH(min)<VOH(min)
噪声幅值< VIL(max)V噪O声L(m幅ax)值< VOH(min)-VIH(min)
第三章 双极型逻辑电路的版图设计
电学特性
直流电流放大系数（基区宽度、发射区浓度、 表面复合）
特征频率
衬底PNP管
应用上受限制
3.5 集成二极管、SBD和肖特 基晶体管
3.5.1集成二级管
六种类型的二极管（图3-13、图3-14） 不增加IC的工序，且设计二级管的特性多样化 最常用的为BC结短接的晶体管作为二极管
外延层体电阻（图3-31）
一种能承受高工作电压的高值电阻 R=ρcL/(DW)，外延层电阻率：ρc 2kΩ/□，适用于做几十千欧姆的电阻，温度
系数高
离子注入电阻器 ✓ 注入硼
能精确控制在500 Ω/□~200kΩ/□范围内 温度系数较小，比基区扩散电阻低4倍
✓ 注入n型杂质 500 Ω/□~1kΩ/□
接地孔尽可能开大些
沿隔离槽走线，多开孔 电源孔也应尽可能开大些（短而宽） 集电极等扩磷孔应比其他接触孔大
铝条适当盖住接触孔
过载能力，避免使用易损坏的元件
确定光刻的基本尺寸。
最关键的是发射极接触孔的尺寸和套刻间距
最小图形就是发射极接触孔的宽度
举例：
外延层电阻率、外延层厚度、集电结结深、隐埋薄 层电阻、基区薄层电阻、发射区薄层电阻、发射去 接触孔尺寸、基区接触孔尺寸、集电区接触孔宽度、 电阻条宽度、铝条覆盖接触孔、铝条宽度、铝条间 距、发射区和基极间距、接触孔距基极和发射极间 距、接触孔距集电极和隔离槽的距离、相邻电阻条 间距、压焊块尺寸、压焊块之间间距
见49页图3-8~3-12（集成NPN晶体管常 用图形）
单发射极、单基极、单集电极版图
发射区的有效长度较短 -> IEmax较小 面积较小，具有较高的特征频率 单基极基区电阻大
双基极条形版图
允许通过的最大电流较大 特征频率较低，最高振荡频率较高
直流电流放大系数（基区宽度、发射区浓度、 表面复合）
特征频率
衬底PNP管
应用上受限制
3.5 集成二极管、SBD和肖特 基晶体管
3.5.1集成二级管
六种类型的二极管（图3-13、图3-14） 不增加IC的工序，且设计二级管的特性多样化 最常用的为BC结短接的晶体管作为二极管
外延层体电阻（图3-31）
一种能承受高工作电压的高值电阻 R=ρcL/(DW)，外延层电阻率：ρc 2kΩ/□，适用于做几十千欧姆的电阻，温度
系数高
离子注入电阻器 ✓ 注入硼
能精确控制在500 Ω/□~200kΩ/□范围内 温度系数较小，比基区扩散电阻低4倍
✓ 注入n型杂质 500 Ω/□~1kΩ/□
接地孔尽可能开大些
沿隔离槽走线，多开孔 电源孔也应尽可能开大些（短而宽） 集电极等扩磷孔应比其他接触孔大
铝条适当盖住接触孔
过载能力，避免使用易损坏的元件
确定光刻的基本尺寸。
最关键的是发射极接触孔的尺寸和套刻间距
最小图形就是发射极接触孔的宽度
举例：
外延层电阻率、外延层厚度、集电结结深、隐埋薄 层电阻、基区薄层电阻、发射区薄层电阻、发射去 接触孔尺寸、基区接触孔尺寸、集电区接触孔宽度、 电阻条宽度、铝条覆盖接触孔、铝条宽度、铝条间 距、发射区和基极间距、接触孔距基极和发射极间 距、接触孔距集电极和隔离槽的距离、相邻电阻条 间距、压焊块尺寸、压焊块之间间距
见49页图3-8~3-12（集成NPN晶体管常 用图形）
单发射极、单基极、单集电极版图
发射区的有效长度较短 -> IEmax较小 面积较小，具有较高的特征频率 单基极基区电阻大
双基极条形版图
允许通过的最大电流较大 特征频率较低，最高振荡频率较高
《双极型制作工艺》课件
02
03
合金化
刻蚀
将不同材料的薄膜进行处理， 使其形成合金，以获得更好的性 能。
利用热处理过程中的化学反应， 对薄膜进行刻蚀，以形成微米或 纳米级别的图案和结构。
04 双极型制作工艺的优缺点
优点
高速度
双极型制作工艺能够实现高速的电路操作， 从而提高整体的工作效率。
高可靠性
由于其稳定的性能和较长的寿命，双极型制 作工艺被认为具有高可靠性。
将完成的双极型器件进行封装 ，并进行性能测试。
制作后的检测与调试
性能检测
使用专业设备对双极型器件进行电学性能检 测，如电流、电压、电阻等。
稳定性测试
对器件进行长时间工作测试，检查其稳定性 。
调试与优化
根据检测结果，对器件进行必要的调试和优 化，以提高性能。
文档整理
整理制作过程中的相关数据和文档，形成完 整的工艺记录。
功耗不均匀
在某些情况下，双极型制作工艺的功 耗可能会不均匀，影响其性能。
对温度敏感
双极型制作工艺对温度比较敏感，温 度变化可能会影响其性能和稳定性。
05 双极型制作工艺的发展趋 势与未来展望
新型双极型材料的研发
总结词
新型双极型材料的研发是双极型制作工艺的重要发展方向，旨在提高性能、降 低成本并拓展应用领域。
详细描述
随着科技的不断发展，新型双极型材料的研发成为双极型制作工艺的重要方向 。这些新型材料具有更高的性能、更低的成本和更广泛的应用前景，为双极型 制作工艺带来了新的发展机遇。
制作工艺的改进与优化
总结词
不断改进和优化双极型制作工艺是提高产品质量和降低生产成本的关键。
详细描述
双极型制作工艺的改进与优化对于提高产品质量、降低生产成本和提升市场竞争力至关重要。通过不断的技术创 新和工艺改进，可以提升双极型材料的性能、稳定性和可靠性，满足不断变化的市场需求。
《双极工艺》PPT模板课件
刻蚀（等离子体刻蚀）
3．N+掺杂： N+
As掺杂（离子注入）
去胶
N+
去除氧化膜
3:外延层淀积
主要设计参数
A
EB
C
S
外延层的电阻率ρ; 外延层的厚度Tepi;
P+
n+
p
n-epi
n+-BL
n+
P+
TepTiepi
P-Si P-Si
tepi-ox xmc xjc
TBL-up
Tepi> xjc+xmc +TBL-up+tepi-ox
⑵高功率BCD
主要的电压范围是40～90V，主要的应用 为汽车电子。它的需求特点是大电流驱动能力 、中等电压，而控制电路往往比较简单。因此 主要发展趋势侧重于提高产品的鲁棒性（ robustness），以保证在恶劣的环境下应用 能够具备良好的性能和可靠性；另一个方面是 如何降低成本。
⑶高密度BCD
VIP10的四周边界均 以电介质加以隔离, 利用浅沟蚀刻并以 填料填充,这样能够 解决集电极基极接 面的寄生电容 (Cjb)问题，减少 电流漏失，提升成 品率。
A’
典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程
4:第二次光刻----P隔离扩散孔光刻
典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程
5:第三次光刻----P区基区扩散孔光刻
EB
C
S
P+
n+
p
n+
P+
n-epi
n+-BL
P-Si
典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程
6:第四次光刻----N+发射区扩散孔光刻
双极型集成电路制造工艺
双极型集成电路（Bipolar）制造工艺双极集成电路基础有源器件：双极晶体管无源器件：电阻、电容、电感等双极IC：数字集成电路、模拟和微波集成电路特点：速度快、稳定性好、负载能力强新型双极晶体管：异质结双极晶体管多晶硅发射极双极晶体管B E C•埋层•外延层•隔离区•基区•发射区和集电区•金属化PN结隔离的NPN晶体管•钝化层•几个概念–有源区:硅片上用于制造元器件的区域–场区:没有制作元器件的区域•埋层•外延层•隔离区•基区•发射区和集电区•金属化•钝化层介质(厚氧化层)隔离的NPN晶体管如何制造双极晶体管？双极晶体管是基于平面工艺，在硅表面加工制造出来的元器件隔离方法：PN结隔离、PN结对通隔离、介质—PN结混合隔离、全介质沟槽隔离PN结隔离PN结对通隔离轻掺杂的外晶体管延层PNP晶体管(横向PNP和衬底PNP)C EN C EB B P PP P横向PNP晶体管B EP CN+N+ N-epiP-subs衬底PNP晶体管pn结隔离SBC结构工艺流程pn结隔离SBC结构工艺流程n+埋层的设计n+埋层的两个作用①减小晶体管收集区串联电阻②减弱寄生PNP管效应考虑二个要点①选固溶度大的杂质以减小埋层的电阻率②选扩散系数小的杂质以减小后续高温工艺中n+埋层向外延层的扩散外延生长的设计外延层电阻率隔离区的设计z确保p+隔离扩散穿透整个n型外延层,和p型衬底相通z隔离扩散过程中外延层的下推距离集电极深接触的设计①进一步降低集电极串联电阻②集电极欧姆接触穿透外延层和埋层相连③使用“磷穿透”工艺两个不利因素：①增加工艺的复杂性n+②加大集电极和基区之间的距离基区形成的设计考虑z为提高电流放大倍数β值和减小基区渡越时间，要求基区宽度W小，基区的掺杂浓度N低b b太低时，在较高工作电压下，集电结和发射结z Nb空间电荷区容易相连会造成穿通现象，而且低Nb 也会加大基区电阻.小到一定限度，也要求提高基区的浓度防止基z Wb区穿通依据实际情况折衷考虑。
第三章-双极型集成电路工艺与版图设计
• 一般外延层电阻率epi较大，使基区串联电阻较大。可采取E、
B短接的方式，使外基区电阻=0，同时减小了自偏置效应，抑 制趋边效应，改善电流特性；还有助于减少表面复合的影响， 提高电流增益。
提高衬底pnp管电流增益的措施
• 降低基区材料缺陷，减少复合中心数目，提高基区少子寿命。 • 适当减薄基区宽度，采用薄外延材料。但同时应注意，一般 衬底pnp管与普通的npn管做在同一芯片上，pnp基区对应npn管 的集电区，外延过薄，将导致npn管集电区在较低反向集电结 偏压下完全耗尽而穿通。 • 适当提高外延层电阻率，降低发射区硼扩散薄层电阻，以提 高发射结注入效率。 • 在衬底和外延层之间加p+埋层，形成少子加速场，增加值。 注意在纵向pnp管中不能加n+埋层，这样将形成少子减速场，
图3.3 等平面隔离工艺制成的晶体管剖面图和版图
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
图3.4 双极晶体管制造工艺演变 (a) 平面工艺 (b) 泡发射极工艺 (c) 等平面工艺 (d) 第二代等平面工艺
3.2.1 泡发射极工艺
在发射区扩散后，用1%的HF酸“泡”（漂洗）出发射区 扩散窗口（包括发射极接触孔），此窗口即为E极接触孔，晶 体管尺寸减小，进而CBC、CBE，可与浅结工艺配合制出高 速、高集成度的IC。但由于Al在Si中的“渗透”较强，易造 成EB结短路，因此需采用新的多层金属化系统。
增大了集电极面积，其主要特点是集电极串联电阻小， 饱和压降低，可通过较大的电流，一般作输出管。 双极型功率管的版图图形
采用了梳状发射极和基极结构，增宽了电流通路的截面 积，允许通过更大的电流，发射区采用狭长条以减小趋边 （集边）效应。
图3.7 功率管的图形
Hale Waihona Puke § 3.4 双极型IC中的集成二极管
B短接的方式，使外基区电阻=0，同时减小了自偏置效应，抑 制趋边效应，改善电流特性；还有助于减少表面复合的影响， 提高电流增益。
提高衬底pnp管电流增益的措施
• 降低基区材料缺陷，减少复合中心数目，提高基区少子寿命。 • 适当减薄基区宽度，采用薄外延材料。但同时应注意，一般 衬底pnp管与普通的npn管做在同一芯片上，pnp基区对应npn管 的集电区，外延过薄，将导致npn管集电区在较低反向集电结 偏压下完全耗尽而穿通。 • 适当提高外延层电阻率，降低发射区硼扩散薄层电阻，以提 高发射结注入效率。 • 在衬底和外延层之间加p+埋层，形成少子加速场，增加值。 注意在纵向pnp管中不能加n+埋层，这样将形成少子减速场，
图3.3 等平面隔离工艺制成的晶体管剖面图和版图
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
图3.4 双极晶体管制造工艺演变 (a) 平面工艺 (b) 泡发射极工艺 (c) 等平面工艺 (d) 第二代等平面工艺
3.2.1 泡发射极工艺
在发射区扩散后，用1%的HF酸“泡”（漂洗）出发射区 扩散窗口（包括发射极接触孔），此窗口即为E极接触孔，晶 体管尺寸减小，进而CBC、CBE，可与浅结工艺配合制出高 速、高集成度的IC。但由于Al在Si中的“渗透”较强，易造 成EB结短路，因此需采用新的多层金属化系统。
增大了集电极面积，其主要特点是集电极串联电阻小， 饱和压降低，可通过较大的电流，一般作输出管。 双极型功率管的版图图形
采用了梳状发射极和基极结构，增宽了电流通路的截面 积，允许通过更大的电流，发射区采用狭长条以减小趋边 （集边）效应。
图3.7 功率管的图形
Hale Waihona Puke § 3.4 双极型IC中的集成二极管
集成电路设计流程及方法
• 设计特点(与分立电路相比)
– 对设计正确性提出更为严格的要求 – 测试问题 – 版图设计：布局布线 – 分层分级设计(Hierarchical design)和模块
化设计
• 高度复杂电路系统的要求 • 什么是分层分级设计？
将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低 的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级 别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足 够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐 级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越 高；级别越低，细节越具体
芯片成本CT：
CT
CD V
CP yn
CD：设计开发费用；CP:每片硅片的工艺费用；V为生产数量；y为成品率，n为每个
硅片上的芯片数目。
设计规则
IC设计与工艺制备之间的接口
– 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线 条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题， 尽可能地提高电路制备的成品率
• 专用集成电路（ASIC：Application-Specific Integrated Circuit）（相对通用电路而言）
– 针对某一应用或某一客户的特殊要求设计的集成电路
– 批量小、单片功能强：降低设计开发费用
• 主要的ASIC设计方法：
– 门阵列设计方法：半定制
– 标准单元设计方法：定制
• 可编程的内部连线：特殊设计的通导晶体管和可 编程的开关矩阵
• CLB、IOB的配置及内连编程通过存储器单元阵 列实现
• 现场编程
– XILINX：用SRAM存储内容控制互连：允许修改 配置程序—— 存储器单元阵列中各单元状态—— 控制CLB的可选配置端、多路选择端 控制IOB的可选配置端 控制通导晶体管的状态和开关矩阵的连接关系
– 对设计正确性提出更为严格的要求 – 测试问题 – 版图设计：布局布线 – 分层分级设计(Hierarchical design)和模块
化设计
• 高度复杂电路系统的要求 • 什么是分层分级设计？
将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低 的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级 别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足 够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐 级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越 高；级别越低，细节越具体
芯片成本CT：
CT
CD V
CP yn
CD：设计开发费用；CP:每片硅片的工艺费用；V为生产数量；y为成品率，n为每个
硅片上的芯片数目。
设计规则
IC设计与工艺制备之间的接口
– 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线 条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题， 尽可能地提高电路制备的成品率
• 专用集成电路（ASIC：Application-Specific Integrated Circuit）（相对通用电路而言）
– 针对某一应用或某一客户的特殊要求设计的集成电路
– 批量小、单片功能强：降低设计开发费用
• 主要的ASIC设计方法：
– 门阵列设计方法：半定制
– 标准单元设计方法：定制
• 可编程的内部连线：特殊设计的通导晶体管和可 编程的开关矩阵
• CLB、IOB的配置及内连编程通过存储器单元阵 列实现
• 现场编程
– XILINX：用SRAM存储内容控制互连：允许修改 配置程序—— 存储器单元阵列中各单元状态—— 控制CLB的可选配置端、多路选择端 控制IOB的可选配置端 控制通导晶体管的状态和开关矩阵的连接关系
第3章集成电路制造工艺(1)
2019/8/13
10
集成电路设计原理
引言
9. 芯片工程与多项目晶圆计划
F&F(Fabless and Foundry)模式 工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片
计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培 养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成 效。 这种芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单 位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织 芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、 研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群 体，自愿参加，并付一定费用。
2019/8/13
45
集成电路设计原理
1.2.3 局部氧化的作用 1. 提高场区阈值电压 2. 减缓表面台阶 3. 减小表面漏电流
N-阱
P-Sub
2019/8/13
46
集成电路设计原理
1.2.4 硅栅自对准的作用 在硅栅形成后，利用硅栅的遮蔽作用
来形成MOS管的沟道区，使MOS管的沟道 尺寸更精确，寄生电容更小。
注：下次上课时需要交前一次课的作 业，做为平时成绩的一部分。不能代交！
2019/8/13
29
集成电路设计原理
§1.2 N阱硅栅CMOS 集成电路制造工艺
2019/8/13
30
集成电路设计原理
思考题
1.需要几块光刻掩膜版？各自的作用是什么？ 2.什么是局部氧化（LOCOS ) ？
（Local Oxidation of Silicon) 3.什么是硅栅自对准(Self Aligned )？ 4. N阱的作用是什么？ 5. NMOS和PMOS的源漏如何形成的？
N-阱
P-Sub
2019/8/13
47
集成电路设计原理
集成电路与工艺版图设计
DC-DC 变换器中误差放大器AMP 模块版图设计1 DC —DC 变换器中误差放大器AMP 模块电路误差放大器是整个变换器电路的核心，从原理上说，误差放大电路内部实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
误差放大器的电路结构如下：V I NR40V1DC = 3VR5误差放大器的原理图如下：L = 2u版图是集成电路从设计走向制造的桥梁，它包含了集成电路尺寸，电阻电容大小等器件相关的物理信息数据。
版图设计是创造工程制图（网表）的精确的物理描述过程，即定义各工艺层图形的形状，尺寸以及不同工艺层的相对位置的过程。
其设计目标有以下三方面：1. 满足电路功能，性能指标，质量要求；2. 尽可能节省面积，以提高集成度，降低成本；3. 尽可能缩短连线，以减少复杂度，缩短延时，改善可能性。
下面是我对误差放大器AMP模块版图设计及仿真的过程。
2DC—DC变换器中误差放大器AMP模块版图设计及仿真２.１版图设计的前仿真２.１.１替换及其他基本设置此次版图所用工艺为MOSIS/ORBIT 1.2u SCNA。
（设置替换路径为：C:\program files\Tanner EDA\Tanner Tools v13.1\L-Edit andLVS\Tech\Mosis\morbn12）替换设置后，将设置-设计-technology下的technology to micro map 改为：1 Lambda=microns。
２.１.２版图的基本绘制下面为常用的CMOS工艺版图与工艺的关系：（1）N阱：做N阱的封闭图形处，窗口注入形成P管的衬底（2）．有源区：做晶体管的区域（G,D,S,B区），封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层（3）．多晶硅：做硅栅和多晶硅连线。
封闭图形处，保留多晶硅。
（4）．有源区注入：P+,N+区。
做源漏及阱或衬底连接区的注入（5）．接触孔：多晶硅，扩散区和金属线1接触端子。
（6）．金属线1：做金属连线，封闭图形处保留铝（7）．通孔：两层金属连线之间连接的端子（8）．金属线2：做金属连线，封闭图形处保留铝①NMOS与PMOS的绘制绘制NMOS要用到的图层有Active、N Select、Poly、Active Contact、Metal1，而PMOS管的版图绘制需要用到N Well、Active、P Select、Poly、Active Contact、Metal1，其中Poly的长度就是晶体管的L，Active的高度就是晶体管的W。
双极晶体管版图
集成电路 双极晶体管版图设计
主要内容 1 栅电容的改良 2 高速晶体管开关 3 工艺的改良 4 双极晶体管的三个区域 5 纵向开关 6 埋层 7 问题与讨论 。。。。
栅电容
CMOS版图存在固有的栅电容，降低了器件的工作速度，在 双极型晶体管中，将开关区域做的很小，从而降低电容， 具有更小的RC时间常数,更高的工作速度。 基本结构： 以NPN为例：
双极型晶体管版图的设计技巧
利用建好的库 应用现成的模型 需要考虑频率和电路功能的实现，所以真正懂得模拟电路 的设计师才是最紧俏的。
工作原理： 区必须很薄 偏置必须较小（0.8V） 总电压必须较大（5V） 基极存在一个电流。 不适用于逻辑门电路。Βιβλιοθήκη 放大倍数β：纵向工艺
可以把P区做得很小。
层结构的制备过程
发射区的制备需要严格控制，放在最上面（因为发射极基极结是关键的，发射极的面积是决定性的，而集电极只 是收集载流子而已）。
NPN管的寄生效应
包括寄生电阻（基区）和寄生电容（集电区） 目前还没有解决方案！
PNP晶体管
BiMOS结构
不用纵向结构，利用CMOS的工艺，减少成本。
实际的结构。
做成同心圆形或者环形比较好。
双极型晶体管版图： CMOS的源漏具有共用和互换特性，双极型管则是固定的。 需要考虑高频、高精度条件下的连线问题、位置关系、耦 合串扰等问题。 与CMOS相比，设计规则很少。
主要内容 1 栅电容的改良 2 高速晶体管开关 3 工艺的改良 4 双极晶体管的三个区域 5 纵向开关 6 埋层 7 问题与讨论 。。。。
栅电容
CMOS版图存在固有的栅电容，降低了器件的工作速度，在 双极型晶体管中，将开关区域做的很小，从而降低电容， 具有更小的RC时间常数,更高的工作速度。 基本结构： 以NPN为例：
双极型晶体管版图的设计技巧
利用建好的库 应用现成的模型 需要考虑频率和电路功能的实现，所以真正懂得模拟电路 的设计师才是最紧俏的。
工作原理： 区必须很薄 偏置必须较小（0.8V） 总电压必须较大（5V） 基极存在一个电流。 不适用于逻辑门电路。Βιβλιοθήκη 放大倍数β：纵向工艺
可以把P区做得很小。
层结构的制备过程
发射区的制备需要严格控制，放在最上面（因为发射极基极结是关键的，发射极的面积是决定性的，而集电极只 是收集载流子而已）。
NPN管的寄生效应
包括寄生电阻（基区）和寄生电容（集电区） 目前还没有解决方案！
PNP晶体管
BiMOS结构
不用纵向结构，利用CMOS的工艺，减少成本。
实际的结构。
做成同心圆形或者环形比较好。
双极型晶体管版图： CMOS的源漏具有共用和互换特性，双极型管则是固定的。 需要考虑高频、高精度条件下的连线问题、位置关系、耦 合串扰等问题。 与CMOS相比，设计规则很少。
集成电路工艺和版图设计参考
0.5 m 、 0.35 m －设计规范（最小特征尺寸）
布线层数：金属（掺杂多晶硅）连线旳层数。
集成度：每个芯片上集成旳晶体管数
12/9/2023
2
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
IC工艺常用术语
净化级别：Class 1, Class 10, Class 10,000 每立方米空气中含灰尘旳个数 去离子水 氧化 扩散 注入 光刻 …………….
互补对称金属氧化物半导体－特点：低功耗
VDD
C
PMOS
Vi
Vo
I/O
NMOS
VDD I/O
VSS
VSS CMOS倒相器
12/9/2023
C
CMOS传播门
22
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
VDD
S
D
P+
P+
N-Si
VG
Vo
D n+
S
VSS
n+
P-阱
CMOS倒相器截面图
12/9/2023
CMOS倒相器版图
双极IC 半导体IC MOSIC
NMOS IC PMOS IC CMOS IC
BiCMOS
12/9/2023
18
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
MOS IC及工艺
MOSFET — Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
.
— 金属氧化物半导体场效应晶体管
Hinkle.
12/9/2023
15
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
Here we are looking at the Incoming material disposition racks
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术内容简述：为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小。
但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是等比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强，当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应（Hot carrier Inject --HCI）。
因为热载流子注入效应会导致几个严重的问题，最终使器件和芯片失效。
为了改善热载流子注入效应，半导体研发人员提出利用降低漏端与衬底pn结附近的峰值电场强度的LDD工艺技术来改善热载流子注入效应。
3.4 热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------------------3.4.1 热载流子注入效应简介-----------------------------------------------------------3.4.2 双扩散漏（DDD）和轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------3.4.3 隔离侧墙（Spacer Sidewall）工艺技术--------------------------------------3.4.4 轻掺杂漏离子注入和隔离侧墙工艺技术的工程应用-----------------------3.4热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术3.4.1热载流子注入效应简介为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小，但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是按比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强。
当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应(Hot Carrier Inject - HCI)。
双极型数字电路的版图设计
为了尽量减小晶体管的发射结无效面积， 提高晶体管的高频性能，在设计高频晶体管时， 发射结周长要尽可能大，面积要尽可能小，即 两者之比要尽可能大。IEmax(或相应的ICmax 值) 只和靠近基极条一边的发射区周长（即“有效 发射区周长”）成正比，而与发射区面积无关，
即IEmax=α×LE，其中α为发射区单位有效 周长的最大工作电流。
1. 版图设计过程：由底向上过程
主要是布局布线过程
布局：将模块安置在芯片的适当位置，满 足一定目标函数。对级别最低的功能块， 是指根据连接关系，确定各单元的位置， 级别高一些的，是分配较低级别功能块的 位置，使芯片面积尽量小。
布线：根据电路的连接关系（连接表） 在指定区域（面积、形状、层次）百分之 百完成连线。布线均匀，优化连线长度、 保求相互一致的元件，应放在邻 近的区域。几何结构尽可能对称，不能只 考虑走线方便而破坏对称性。
⑤接地孔尽可能开大些
凡需接地的发射极、电阻等，不能只 靠在隔离槽上开的接触孔接地，要尽可能 让地线直接通过该处。接地线尽可能地沿 隔离槽走线。接电源的引线应短而宽，接 Vcc的电源孔应尽可能开大些。集电极等 扩磷孔应比其它接触孔大。
⑨压焊块的数目以及排列顺序应该与外 壳引出脚排列相符合，电极分布应均匀。
⑩确定光刻的基本尺寸。根据工艺水
平和光刻精度定出图形及各个扩散间距的 最小尺寸，其中最关键的是发射极接触孔 的尺寸和套刻间距。集成晶体管是由一系 列相互套合的图形所组成，其中最小的图 形是发射极接触孔的宽度，所以往往选用 设计规则中的最小图形尺寸作为发射接触 孔。其它图形都是在此基础上考虑图形间 的最小间距面进行逐步套合、放大。最小 图形尺寸受到掩膜对中容差，在扩散过程 中的横向扩散、耗尽层扩展等多种因素的 限制。
IC(双极型集成电路)工艺技术
N-Epi N+ 埋层
P Sub
双极IC工艺流程
• 基区(PBAS)光刻和B+注入 • B+注入
80kev 4.1E14cm-2
N-Epi N+ 埋层
P Sub
基区版
双极IC工艺流程
• 外基区(XBAS)（隔离）光刻 • B+注入
光刻胶 80kev 4.1E14cm-2
N-Epi N+ 埋层
P Sub
Brief Process flow & Mask
Sequence
• 23 Capacitor oxidation
• • • • • • • • • • • 24 25 26 27 28 29 30 31 33 33 34 Si3N4 deposition Contact photo/etch Metal1 deposition Metal1 photo/etch Oxide deposition Via photo/etch Metal2 deposition Metal2 photo/etch USG/SiN Deposition Pad photo/etch Alloy
Max 195
13.5k 35 2.4k 390 27.6k 100
Size(um2) 20x200
20x200 20x200 20x200 20x200 20x200 20x200
设计规则－设计与工艺制作的接口
目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下， 避免线条宽度的偏差和不同层版套准偏 差可能带来的问题，以提高电路的成品 率 内容：根据实际工艺水平(包括光刻特性、 刻蚀能力、对准容差等) ，给出的一组 同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸 的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、 露头、面积等规则，分别给出它们的最 小值，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.4.1 集成二极管的构成方式
图3.8 集成二极管的构成方式
王向展
08.04.2020
13
集成电路原理与设计
3.4.2 集成二极管的剖面示意图
图3.9 集成二极管的剖面图 (a) Vcb=0 (b) Ic=0 (c) Vcc=0 (d) Veb=0 (e) Ie=0 (f) 单独BC结
王向展
08.04.2020
王向展
08.04.2020
4
集成电路原理与设计
对通隔离技术
在n+埋层扩散后，先进行p+浓硼下隔离扩散，去除氧化层 后，生长n型外延，然后在进行p+浓硼上隔离扩散的同时，做 纵向pnp管的发射区扩散，这样可缩短扩散时间，使横向扩散 尺寸大为降低，节省了芯片面积。
图3.2 对通隔离技术示意图
王向展
08.04.2020
发射极工艺的原理
利用1%HF酸对PSG的腐蚀速度5nm/s，而对SiO2的为 0.125nm/s，1分钟可将300nm的PSG漂尽，而SiO2只去掉 7.5nm，因此E极窗口被“泡”出后，周围的SiO2腐蚀很少。
王向展
08.04.2020
8
集成电路原理与设计
3.2.2 第二代等平面工艺
在等平面I工艺的基础上，将发射极与介质隔离墙相接， 使得器件尺寸和寄生电容，这主要是因为在掩模版和硅片 上刻制长而窄的矩形比刻一个宽度相同但短的矩形容易得多。 所以，等平面II工艺的发射区比等平面I的小，其CBE也小。其 集电区面积比泡发射极工艺小70%以上，比第一代等平面工 艺小40%以上。
5
集成电路原理与设计
3.1.2 等平面隔离技术
利用Si的局部氧化 LOCOS工艺实现pn结 – 介 质混合隔离技术，有利于 缩小管芯面积和减小寄生 电容。
王向展
图3.3 等平面隔离工艺制成的晶体管剖面图和版图
08.04.2020
6
集成电路原理与设计
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
图3.4 双极晶体管制造工艺演变 (a) 平面工艺 (b) 泡发射极工艺 (c) 等平面工艺 (d) 第二代等平面工艺
王向展
08.04.2020
16
集成电路原理与设计
§ 3.5 横向pnp、纵向pnp晶体管的结构与特点 3.5.1 横向pnp晶体管
图3.10 横向pnp管
王向展
08.04.2020
17
集成电路原理与设计
主要特点：
• BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。 • 电流放大系数小，主要原因：
王向展
08.04.2020
11
集成电路原理与设计
双基极条图形 是IC中常用的一种图形，允许通过更大的电流，其面积
比单基极条稍大，所以特征频率稍低；但基极电阻为单基极 条的一半，其最高振荡频率比单基极条的高。 型和型集电极图形
增大了集电极面积，其主要特点是集电极串联电阻小， 饱和压降低，可通过较大的电流，一般作输出管。 双极型功率管的版图图形
14
集成电路原理与设计 六种集成二极管的特性比较
王向展
08.04.2020
15
集成电路原理与设计
二极管接法的选择由电路对正向压降、动态电阻、电容、 存储时间和击穿电压的不同要求来决定。其中，最常用的有两 种： • BC结短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最
短，正向压降低，故一般DTL逻辑的输入端的门二极管都 采用此接法。 • 单独的BC结二极管，因为不需要发射结，所以面积可作得 很小，正向压降也低，且击穿电压高。
采用了梳状发射极和基极结构，增宽了电流通路的截面 积，允许通过更大的电流，发射区采用狭长条以减小趋边 （集边）效应。
图3.7 功率管的图形
王向展
08.04.2020
12
集成电路原理与设计
§ 3.4 双极型IC中的集成二极管
在IC中，集成二极管的结构除单独的BC结外，通常由晶 体管的不同连接方式而构成多种形式，并不增加IC工序，而 且可以使二极管的特性多样化，以满足不同电路的需要。
王向展
08.04.2020
2
集成电路原理与设计
本章重点
1、双极集成电路的寄生效应 2、TTL、S/LSTTL、AS/ALSTTL、ECL电路的
电路结构，工作原理和特点的分析与比较。
王向展
08.04.2.1 双极型IC的隔离技术
3.1.1 pn结隔离技术
目的是使做在不同隔离 区的元件实现电隔离。 • 为降低集电极串联电阻rCS， 在P型衬底与n型外延之间 加一道n+埋层，提供IC的 低阻通路。 • 集电极接触区加磷穿透扩 散（应在基区扩散之前进 行） • 可采用对通隔离技术 图3.1 IC的结构 (a) 半导体IC (b) 混合IC (c) 等效电路
王向展
08.04.2020
9
集成电路原理与设计
§ 3.3 集成npn管的版图设计 3.3.1 集成npn管电极配置
图3.5 集成npn管电极配置实例
王向展
08.04.2020
10
集成电路原理与设计
3.3.2 典型的晶体管版图图形
图3.6 典型晶体管图形 (a) 双基极条管 (b) П 型集电极管(c) Γ 型集电极管
§ 3.4 双极IC中的集成二极管
3.4.1 集成二极管的构成方式 3.4.2 集成二极管的剖面示意图
08.04.2020
1
集成电路原理与设计
§ 3.5 横向pnp、纵向pnp晶体管的结构与特点
3.5.1 横向pnp晶体管 3.5.2 纵向pnp管（衬底pnp晶体管）
§ 3.6 双极型IC对材料、工艺的要求 § 3.7 双极工艺版图设计的一般规则 § 3.8 微电子集成电路的可测性设计
王向展
08.04.2020
7
集成电路原理与设计
3.2.1 泡发射极工艺
在发射区扩散后，用1%的HF酸“泡”（漂洗）出发射区 扩散窗口（包括发射极接触孔），此窗口即为E极接触孔，晶 体管尺寸减小，进而CBC、CBE，可与浅结工艺配合制出高 速、高集成度的IC。但由于Al在Si中的“渗透”较强，易造 成EB结短路，因此需采用新的多层金属化系统。
集成电路原理与设计
第三章 双极型集成电路的工艺与版图设计
§ 3.1 双极型IC的隔离技术
3.1.1 pn结隔离技术
3.1.2 等平面隔离技术
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
3.2.1 泡发射极工艺 3.2.2 等平面II工艺
§ 3.3 集成npn管的版图设计
3.3.1 集成npn管电极配置 3.3.2 典型的晶体管版图图形
图3.8 集成二极管的构成方式
王向展
08.04.2020
13
集成电路原理与设计
3.4.2 集成二极管的剖面示意图
图3.9 集成二极管的剖面图 (a) Vcb=0 (b) Ic=0 (c) Vcc=0 (d) Veb=0 (e) Ie=0 (f) 单独BC结
王向展
08.04.2020
王向展
08.04.2020
4
集成电路原理与设计
对通隔离技术
在n+埋层扩散后，先进行p+浓硼下隔离扩散，去除氧化层 后，生长n型外延，然后在进行p+浓硼上隔离扩散的同时，做 纵向pnp管的发射区扩散，这样可缩短扩散时间，使横向扩散 尺寸大为降低，节省了芯片面积。
图3.2 对通隔离技术示意图
王向展
08.04.2020
发射极工艺的原理
利用1%HF酸对PSG的腐蚀速度5nm/s，而对SiO2的为 0.125nm/s，1分钟可将300nm的PSG漂尽，而SiO2只去掉 7.5nm，因此E极窗口被“泡”出后，周围的SiO2腐蚀很少。
王向展
08.04.2020
8
集成电路原理与设计
3.2.2 第二代等平面工艺
在等平面I工艺的基础上，将发射极与介质隔离墙相接， 使得器件尺寸和寄生电容，这主要是因为在掩模版和硅片 上刻制长而窄的矩形比刻一个宽度相同但短的矩形容易得多。 所以，等平面II工艺的发射区比等平面I的小，其CBE也小。其 集电区面积比泡发射极工艺小70%以上，比第一代等平面工 艺小40%以上。
5
集成电路原理与设计
3.1.2 等平面隔离技术
利用Si的局部氧化 LOCOS工艺实现pn结 – 介 质混合隔离技术，有利于 缩小管芯面积和减小寄生 电容。
王向展
图3.3 等平面隔离工艺制成的晶体管剖面图和版图
08.04.2020
6
集成电路原理与设计
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
图3.4 双极晶体管制造工艺演变 (a) 平面工艺 (b) 泡发射极工艺 (c) 等平面工艺 (d) 第二代等平面工艺
王向展
08.04.2020
16
集成电路原理与设计
§ 3.5 横向pnp、纵向pnp晶体管的结构与特点 3.5.1 横向pnp晶体管
图3.10 横向pnp管
王向展
08.04.2020
17
集成电路原理与设计
主要特点：
• BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。 • 电流放大系数小，主要原因：
王向展
08.04.2020
11
集成电路原理与设计
双基极条图形 是IC中常用的一种图形，允许通过更大的电流，其面积
比单基极条稍大，所以特征频率稍低；但基极电阻为单基极 条的一半，其最高振荡频率比单基极条的高。 型和型集电极图形
增大了集电极面积，其主要特点是集电极串联电阻小， 饱和压降低，可通过较大的电流，一般作输出管。 双极型功率管的版图图形
14
集成电路原理与设计 六种集成二极管的特性比较
王向展
08.04.2020
15
集成电路原理与设计
二极管接法的选择由电路对正向压降、动态电阻、电容、 存储时间和击穿电压的不同要求来决定。其中，最常用的有两 种： • BC结短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最
短，正向压降低，故一般DTL逻辑的输入端的门二极管都 采用此接法。 • 单独的BC结二极管，因为不需要发射结，所以面积可作得 很小，正向压降也低，且击穿电压高。
采用了梳状发射极和基极结构，增宽了电流通路的截面 积，允许通过更大的电流，发射区采用狭长条以减小趋边 （集边）效应。
图3.7 功率管的图形
王向展
08.04.2020
12
集成电路原理与设计
§ 3.4 双极型IC中的集成二极管
在IC中，集成二极管的结构除单独的BC结外，通常由晶 体管的不同连接方式而构成多种形式，并不增加IC工序，而 且可以使二极管的特性多样化，以满足不同电路的需要。
王向展
08.04.2020
2
集成电路原理与设计
本章重点
1、双极集成电路的寄生效应 2、TTL、S/LSTTL、AS/ALSTTL、ECL电路的
电路结构，工作原理和特点的分析与比较。
王向展
08.04.2.1 双极型IC的隔离技术
3.1.1 pn结隔离技术
目的是使做在不同隔离 区的元件实现电隔离。 • 为降低集电极串联电阻rCS， 在P型衬底与n型外延之间 加一道n+埋层，提供IC的 低阻通路。 • 集电极接触区加磷穿透扩 散（应在基区扩散之前进 行） • 可采用对通隔离技术 图3.1 IC的结构 (a) 半导体IC (b) 混合IC (c) 等效电路
王向展
08.04.2020
9
集成电路原理与设计
§ 3.3 集成npn管的版图设计 3.3.1 集成npn管电极配置
图3.5 集成npn管电极配置实例
王向展
08.04.2020
10
集成电路原理与设计
3.3.2 典型的晶体管版图图形
图3.6 典型晶体管图形 (a) 双基极条管 (b) П 型集电极管(c) Γ 型集电极管
§ 3.4 双极IC中的集成二极管
3.4.1 集成二极管的构成方式 3.4.2 集成二极管的剖面示意图
08.04.2020
1
集成电路原理与设计
§ 3.5 横向pnp、纵向pnp晶体管的结构与特点
3.5.1 横向pnp晶体管 3.5.2 纵向pnp管（衬底pnp晶体管）
§ 3.6 双极型IC对材料、工艺的要求 § 3.7 双极工艺版图设计的一般规则 § 3.8 微电子集成电路的可测性设计
王向展
08.04.2020
7
集成电路原理与设计
3.2.1 泡发射极工艺
在发射区扩散后，用1%的HF酸“泡”（漂洗）出发射区 扩散窗口（包括发射极接触孔），此窗口即为E极接触孔，晶 体管尺寸减小，进而CBC、CBE，可与浅结工艺配合制出高 速、高集成度的IC。但由于Al在Si中的“渗透”较强，易造 成EB结短路，因此需采用新的多层金属化系统。
集成电路原理与设计
第三章 双极型集成电路的工艺与版图设计
§ 3.1 双极型IC的隔离技术
3.1.1 pn结隔离技术
3.1.2 等平面隔离技术
§ 3.2 双极型晶体管制造工艺
3.2.1 泡发射极工艺 3.2.2 等平面II工艺
§ 3.3 集成npn管的版图设计
3.3.1 集成npn管电极配置 3.3.2 典型的晶体管版图图形