半導(dǎo)體制造工藝之BiCMOS技術(shù)

目前為止，在日常生活中使用的每一個(gè)電氣和電子設(shè)備中，都是由利用半導(dǎo)體器件制造工藝制造的集成電路組成。電子電路是在由純半導(dǎo)體材料(例如硅和其他半導(dǎo)體化合物)組成的晶片上創(chuàng)建的，其中包括光刻和化學(xué)工藝的多個(gè)步驟。

半導(dǎo)體制造過(guò)程于1960 年代初期從美國(guó)德克薩斯州開始，然后擴(kuò)展到世界各地。如今半導(dǎo)體制造工藝多種多樣，已經(jīng)在電子電路中扮演著無(wú)可撼動(dòng)的地位。本文主要介紹其中的一種制造工藝——BiCMOS技術(shù)。

關(guān)于BiCMOS技術(shù)

BiCMOS是主要的半導(dǎo)體技術(shù)之一，也是一項(xiàng)高度發(fā)達(dá)的技術(shù)，在1990年代將兩種獨(dú)立的技術(shù)(雙極結(jié)型晶體管和CMOS晶體管)集成在一個(gè)現(xiàn)代集成電路中，當(dāng)今在電子電路中已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用。

如上圖所示，它是第一款模擬/數(shù)字接收器IC，是一款具有非常高靈敏度的BiCMOS集成接收器。

關(guān)于CMOS技術(shù)

CMOS技術(shù)是作為MOS技術(shù)或CSG(Commodore Semiconductor Group)的補(bǔ)充，其實(shí)CSG最初是作為制造電子計(jì)算器的來(lái)源。后來(lái)，稱為CMOS的互補(bǔ)MOS技術(shù)被用于開發(fā)集成電路，如數(shù)字邏輯電路以及微控制器和微處理器。CMOS技術(shù)具有低功耗和低噪聲容限以及高封裝密度的優(yōu)勢(shì)。

上圖顯示了CMOS技術(shù)在制造數(shù)控開關(guān)器件中的應(yīng)用。

關(guān)于BJT雙極晶體管技術(shù)

BJT雙極晶體管是集成電路的一部分，它們的操作基于兩種類型的半導(dǎo)體材料或取決于兩種類型的電荷載流子空穴和電子。這些通常分為PNP和NPN兩種類型，根據(jù)其三個(gè)端子的摻雜及其極性進(jìn)行分類，它提供了高開關(guān)以及具有良好噪聲性能的輸入/輸出速度。

該圖顯示了雙極晶技術(shù)在RISC處理器AM2901CPC中的應(yīng)用。

BiCMOS制造工藝流程

BiCMOS的制造結(jié)合了BJT和CMOS的制造工藝，但只是形式上面的變種。下面簡(jiǎn)單介紹下BiCMOS的制造工藝流程。

1、如下圖所示選P-Substrate(基板)：

2、在P-substrate上覆蓋氧化層：

3、在氧化層上做一個(gè)小開口，如下圖所示：

4、通過(guò)開口重?fù)诫sN型雜質(zhì)：

5、P-外延層在整個(gè)表面上覆蓋：

6、接下來(lái)，整個(gè)表面層再次被氧化層覆蓋，并通過(guò)該氧化層制作兩個(gè)開口：

7、從穿過(guò)氧化層的開口中擴(kuò)散N型雜質(zhì)，形成N阱：

8、在氧化層上打三個(gè)開孔，形成三個(gè)有源器件：

9、用Thinox和Polysilicon覆蓋并圖案化整個(gè)表面，形成NMOS和PMOS的柵極端子：

10、加入P-雜質(zhì)，形成BJT的基極端子，類似地，N型雜質(zhì)被重?fù)诫s以形成BJT的發(fā)射極端子、NMOS的源極和漏極，并且為了接觸目的，N型摻雜到N阱集電極中：

11、形成PMOS的源漏區(qū)，并在P基區(qū)進(jìn)行接觸，重?fù)诫sP型雜質(zhì)：

12、接下來(lái)整個(gè)表面被厚厚的氧化層覆蓋：

13、通過(guò)厚氧化層對(duì)切口進(jìn)行圖案化以形成金屬觸點(diǎn)：

14、通過(guò)氧化層上的切口制作金屬觸點(diǎn)，端子命名如下圖所示：

以上就是BICMOS的制造工藝流程，不難看出，它結(jié)合了NMOS、PMOS和BJT。在制造過(guò)程中使用了一些層，例如溝道停止注入、厚層氧化和保護(hù)環(huán)。

從理論上講，要同時(shí)包含CMOS和雙極晶技術(shù)，制造過(guò)程是困難的。因?yàn)樵谔幚鞵阱和N阱CMOS時(shí)，無(wú)意中產(chǎn)生寄生雙極晶體管是比較棘手的問(wèn)題。另外，對(duì)于BiCMOS的制造，增加了許多額外的步驟來(lái)微調(diào)雙極和CMOS組件，所以總制造成本也增加了。

如上圖所示，通過(guò)注入或擴(kuò)散或其他方法在半導(dǎo)體器件中注入溝道截?cái)鄬?，以限制溝道面積的擴(kuò)展或避免寄生溝道的形成。而且高阻抗節(jié)點(diǎn)(如果有的話)可能會(huì)導(dǎo)致表面泄漏電流，為了避免電流在限制電流流動(dòng)的地方流動(dòng)，使用了一些保護(hù)環(huán)。

BICMOS技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)

通過(guò)使用高阻抗CMOS電路作為輸入來(lái)促進(jìn)和改進(jìn)模擬放大器的設(shè)計(jì)，其余的則通過(guò)使用雙極晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

BiCMOS本質(zhì)上對(duì)溫度和工藝變化有很大的影響，提供了良好的經(jīng)濟(jì)考慮(主要單元的百分比高)，而電氣參數(shù)的變化較小。

BiCMOS器件可根據(jù)要求提供高負(fù)載電流吸收和輸出。

由于它是一組雙極和CMOS技術(shù)，如果速度是關(guān)鍵參數(shù)，則可以使用BJT，如果功率是關(guān)鍵參數(shù)，那么可以使用MOS，它可以驅(qū)動(dòng)高電容負(fù)載并縮短周期時(shí)間。

它比單獨(dú)的雙極技術(shù)具有低功耗。

該技術(shù)在模擬電源管理電路和放大器電路(如BiCMOS放大器)中得到了廣泛應(yīng)用。

非常適合輸入/輸出密集型應(yīng)用，提供靈活的輸入/輸出(TTL、CMOS和ECL)。

與單獨(dú)的CMOS技術(shù)相比，它具有提高速度性能的優(yōu)勢(shì)。

具有雙向能力(源極和漏極可以根據(jù)需要互換)。

BICMOS技術(shù)主要缺點(diǎn)

該技術(shù)的制造過(guò)程由CMOS和雙極技術(shù)組成，增加了復(fù)雜性。

由于制造過(guò)程的復(fù)雜性增加，制造成本也增加。

因?yàn)橛懈嗟钠骷?，所以光刻更少?/p>

BICMOS技術(shù)主要應(yīng)用

可以被分析為高密度和高速度的函數(shù)。

該技術(shù)被用作當(dāng)前市場(chǎng)上雙極、ECL和CMOS替代技術(shù)。

在某些應(yīng)用中(功率預(yù)算有限)，BiCMOS速度性能優(yōu)于雙極。

非常適合密集型輸入/輸出應(yīng)用。

BiCMOS的應(yīng)用最初是在RISC微處理器中，而不是傳統(tǒng)的CISC微處理器。

該技術(shù)在應(yīng)用方面表現(xiàn)出色，主要在微處理器的兩個(gè)領(lǐng)域，例如內(nèi)存和輸入/輸出。

在模擬和數(shù)字系統(tǒng)中有許多應(yīng)用，從而使單芯片跨越了模擬-數(shù)字邊界。

可用于采樣和保持應(yīng)用，因?yàn)樗峁└咦杩馆斎搿?/p>

用于加法器、混頻器、ADC和DAC等應(yīng)用。

為了克服雙極和CMOS運(yùn)算放大器的局限性， BiCMOS 工藝用于設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器。在運(yùn)算放大器中，需要高增益和高頻特性。通過(guò)使用這些 BiCMOS放大器，可以獲得所有這些所需的特性。

總結(jié)

BiCMOS是一種復(fù)雜的處理技術(shù)，將NMOS和PMOS技術(shù)相互融合，具有極低功耗的雙極技術(shù)和比CMOS技術(shù)高的速度。此外，MOSFET提供高輸入阻抗邏輯門，雙極晶體管提供高電流增益。