雙極型工藝制程技術簡介

本章主要介紹了集成電路是如何從雙極型工藝技術一步一步發(fā)展到CMOS 工藝技術以及為了適應不斷變化的應用需求發(fā)展出特色工藝技術的。

首先從雙極型工藝技術發(fā)展到 PMOS 工藝技術，再到 NMOS 工藝技術，但是無論是雙極型工藝技術和 NMOS 工藝技術都遇到了功耗問題，最后引出低功耗的CMOS 工藝技術，CMOS 工藝技術是目前工藝技術的主流。但是CMOS工藝技術沒有辦法滿足不斷變化的應用需求，所以發(fā)展出如 BiCOMS、BCD 和HV-CMOS 等特色工藝技術。

另外還介紹了 MOS集成電路的發(fā)展歷史，以及 MOS 晶體管的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)，也就是MOS晶體管按比例縮小的過程中遇到的問題和出現(xiàn)的新技術，為引出先進工藝技術打下基礎。

雙極型工藝制程技術是最早出現(xiàn)的集成電路工藝制程技術，也是最早應用于實際生產的集成電路工藝制程技術。隨著微電子工藝制程技術的不斷發(fā)展，工藝制程技術日趨先進，其后又出現(xiàn)了 PMOS、NMOS、CMOS、BiCMOS 和BCD等工藝制程技術。

1947年，第一只點接觸晶體管在貝爾實驗室誕生，它的發(fā)明者是 Bardeen、Shockley 和Brattain。1949年，貝爾實驗室的 Shockley 提出pn 結和雙極型晶體管理論。1951年貝爾實驗室制造出第一只鍺雙極型晶體管，1956年德州儀器制造出第一只硅雙極型晶體管，1970年硅平面工藝制程技術成熟，雙極型晶體管開始大批量生產。

雙極型工藝制程技術大致可以分為兩大類：一類是需要在器件之間制備電隔離區(qū)的雙極型工藝制程技術，采用的隔離技術主要有pn 結隔離、全介質隔離以及 pn結-介質混合隔離等。采用這種工藝制程技術的雙極型集成電路，如 TTL（Transistor Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯）電路、線性/ECL（Emitter Couple Logic，射極耦合邏輯）電路和 STTL（Schot-tky Transistor Transistor Logic，肖特基晶體管-晶體管邏輯）電路等；另一類是器件之間自然隔離的雙極型工藝制程技術，I2L（Integrated Injection Logic，集成注入邏輯）電路采用了這種工藝制程技術。圖1-1所示的是屬于第一類采用pn結隔離技術的雙極型工藝集成電路的剖面圖，VNPN 是縱向 NPN （Vertical NPN），LPNP 是橫向 PNP （Lateral PNP），n +是n 型重摻雜擴散區(qū)，P+是P型重摻雜擴散區(qū)，P-Base 是p型基區(qū)，PW （P-WELL）是p型阱，NW（N-WELL）是深n型阱，NBL（N type Buried Layer）是n型埋層，P-sub（P-substrate）是P型襯底，N-EPI（N-Epitaxial）是n 型外延層。

由于雙極型工藝制程技術制造流程簡單，制造成本低和成品率高，另外在電路性能方面它具有高速度、高跨導、低噪聲、高模擬精度和強電流驅動能力等方面的優(yōu)勢，它一直受到設計人員的青睞。雙極型晶體管是電流控制器件，而且是兩種載流子（電子和空穴）同時起作用，它通常用于電流放大型電路、功率放大型電路和高速電路。它一直在高速電路、模擬電路和功率電路中占主導地位，但是它的缺點是集成度低和功耗大，其縱向（結深）尺寸無法跟隨橫向尺寸成比例縮小，所以在VL-SI（超大規(guī)模集成電路）中受到很大限制。在20世紀60年代之前集成電路基本是雙極型工藝集成電路，雙極型工藝集成電路也是史上最早發(fā)明的具有放大功能的集成電路，直到20世紀70年代 NMOS 和CMOS 工藝集成電路開始在邏輯運算領域逐步取代雙極型工藝集成電路的統(tǒng)治地位，但是在模擬器件和大功率器件等領域雙極型集成電路依然占據(jù)重要的地位。