雙極型集成電路工藝制備

是利用PN結(jié)隔離技術(shù)制備雙極型集成電路倒相器的工藝流程， 圖中包括一個(gè)NPN晶體管和一個(gè)負(fù)載電阻R。原始材料是直徑為75~150毫米摻P型雜質(zhì)的硅單晶棒，電阻率ρ=10歐·厘米左右。其工藝流程是:先經(jīng)過切片、研磨和拋光等工藝(是硅片制備工藝)制備成厚度約300~500微米的圓形硅片作為襯底，然后進(jìn)行外延生長、氧化、光刻、擴(kuò)散、蒸發(fā)、壓焊和多次硅片清洗，最后進(jìn)行表面鈍化和成品封裝。

制作雙極型集成電路芯片需要經(jīng)過 5次氧化，對氧化硅 (SiO2)薄層進(jìn)行5次光刻，刻蝕出供擴(kuò)散摻雜用的圖形窗口。最后還經(jīng)過兩次光刻，刻蝕出金屬鋁互連布線和鈍化后用于壓焊點(diǎn)的窗口。因此，整套雙極型集成電路掩模版共有 7塊。即使通常省去鈍化工藝，也需要進(jìn)行6次光刻，需要6塊掩模版。

雙極型集成電路的制造工藝，是在平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與制造單個(gè)雙極型晶體管的平面工藝相比，具有若干工藝上的特點(diǎn)。

① 雙極型集成電路中各元件之間需要進(jìn)行電隔離。集成電路的制造，先是把硅片劃分成一定數(shù)目的相互隔離的隔離區(qū);然后在各隔離區(qū)內(nèi)制作晶體管和電阻等元件。在常規(guī)工藝中大多采用PN結(jié)隔離，即用反向PN結(jié)達(dá)到元件之間相互絕緣的目的。除PN結(jié)隔離以外，有時(shí)也采用介質(zhì)隔離或兩者混合隔離法(見隔離技術(shù))。

② 雙極型集成電路中需要增添隱埋層。通常，雙極型集成電路中晶體管的集電極，必須從底層向上引出連接點(diǎn)，因而增加了集電極串連電阻，這不利于電路性能。為了減小集電極串連電阻，制作晶體管時(shí)在集電極下邊先擴(kuò)散一層隱埋層，為集電極提供電流低阻通道和減小集電極的串聯(lián)電阻。隱埋層，簡稱埋層，是隱埋在硅片體內(nèi)的高摻雜低電阻區(qū)。埋層在制作集成電路之前預(yù)先"埋置"在晶片體內(nèi)。其工藝過程是:在 P型硅片上，在預(yù)計(jì)制作集電極的正下方某一區(qū)域里先擴(kuò)散一層高濃度施主雜質(zhì)即N+區(qū);而后在其上再外延生長一層N型硅單晶層。于是，N型外延層將N+區(qū)隱埋在下面，再在這一外延層上制作晶體管。

③ 雙極型集成電路通常采用擴(kuò)散電阻。電路中按電阻阻值大小選擇制備電阻的工藝，大多數(shù)是利用晶體管基區(qū)P型擴(kuò)散的同時(shí)，制作每方約 150~200歐·厘米的P型擴(kuò)散電阻。但是，擴(kuò)散電阻存在阻值誤差大、溫度系數(shù)高和有寄生效應(yīng)等缺點(diǎn)。除采用擴(kuò)散電阻外，有時(shí)也采用硅單晶體電阻。

④ 雙極型集成電路元件間需要互連線，通常為金屬鋁薄層互連線。單層互連布線時(shí)難以避免交叉的位置，必要時(shí)可采用濃磷擴(kuò)散低阻區(qū)，簡稱磷橋連接法。

⑤ 雙極型集成電路存在寄生效應(yīng)。雙極型集成電路的縱向NPN晶體管，比分立晶體管多一個(gè)P型襯底層和一個(gè)PN結(jié)。它是三結(jié)四層結(jié)構(gòu)。增加的襯底層是所有元件的公共襯底，增加的一個(gè)PN結(jié)是隔離結(jié)(包括襯底結(jié))。雙極型集成電路因是三結(jié)四層結(jié)構(gòu)而會產(chǎn)生特有的寄生效應(yīng):無源寄生效應(yīng)、擴(kuò)散電阻的寄生電容和有源寄生效應(yīng)。隔離電容是集電極N型區(qū)與隔離槽或襯底P型區(qū)形成的PN結(jié)產(chǎn)生的電容。隔離和襯底接最低電位，所以這個(gè)電容就是集電極對地的寄生電容。擴(kuò)散電阻的寄生電容是擴(kuò)散電阻P型區(qū)與集電極外延層N型區(qū)產(chǎn)生的PN結(jié)電容，也屬無源寄生效應(yīng)。這一PN結(jié)電容總是處于反偏置工作狀態(tài)。有源寄生效應(yīng)即 PNP寄生晶體管。在電路中，NPN晶體管的基區(qū)、集電區(qū)(外延層)和襯底構(gòu)成PNP寄生晶體管。在通常情況下，因PN結(jié)隔離，外延層和襯底之間總是反向偏置。只有當(dāng)電路工作時(shí)，NPN管的集電結(jié)正偏，寄生PNP管才進(jìn)入有源區(qū)。

雙極型集成電路是在硅平面晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，最早的是雙極型數(shù)字邏輯集成電路。在數(shù)字邏輯集成電路的發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)過多種不同類型的電路形式。常見的雙極型集成電路可分類如下。

DCTL電路是第一種雙極型數(shù)字邏輯集成電路，因存在嚴(yán)重的"搶電流"問題(見電阻-晶體管邏輯電路)而不實(shí)用。RTL電路是第一種有實(shí)用價(jià)值的雙極型集成電路。早期的數(shù)字邏輯系統(tǒng)曾采用過 RTL電路，后因基極輸入回路上有電阻存在，限制了開關(guān)速度。此外，RTL邏輯電路的抗干擾的性能較差，使用時(shí)負(fù)載又不能多，因而被淘汰。電阻-電容-晶體管邏輯電路(RCTL)是為了改善RTL電路的開關(guān)速度而提出來的，即在RTL電路的電阻上并接電容。實(shí)際上 RCTL電路也未得到發(fā)展。DTL電路是繼 RTL電路之后為提高邏輯電路抗干擾能力而提出來的。DTL電路在線路上采用了電平位移二極管，抗干擾能力可用電平位移二極管的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)。常用的 DTL電路的電平位移二極管，是用兩個(gè)硅二極管串接而成，其抗干擾能力可提高到1.4伏左右(見二極管-晶體管邏輯電路)。HTL電路是在 DTL電路的基礎(chǔ)上派生出來的。HTL電路采用反接的齊納二極管代替DTL電路的電平位移二極管，使電路的閾值提高到約7.4伏左右(見高閾值邏輯電路)?？勺冮撝颠壿嬰娐?VTL)也是DTL電路系列中的另一種變形電路。閾值邏輯電路(TLC)是 HTL和VTL邏輯電路的總稱。TTL邏輯電路是在DTL邏輯電路基礎(chǔ)上演變而來，于1962年研制成功。為了提高開關(guān)速度和降低電路功耗，TTL電路在線路結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了三代電路形式的改進(jìn)(見晶體管-晶體管邏輯電路)。

以上均屬飽和型電路。在進(jìn)一步探索提高飽和型電路開關(guān)速度的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶體管多余載流子的存儲效應(yīng)是一個(gè)極重要的障礙。存儲現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是電路在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中由多余載流子所引起。要提高電路開關(guān)速度，除了減少晶體管PN結(jié)電容，或者設(shè)法縮短多余載流子的壽命以外，就得減少和消除晶體管內(nèi)載流子存儲現(xiàn)象。60年代末和70年代初，人們開始在集成電路中利用熟知的肖特基效應(yīng)。在TTL電路上制備肖特基勢壘二極管，把它并接在原有晶體管的基極和集電極上，使晶體管開關(guān)時(shí)間縮短到1納秒左右;帶肖特基勢壘二極管箝位的TTL門電路的平均傳輸延遲時(shí)間達(dá)2~4納秒。

肖特基勢壘二極管-晶體管-晶體管邏輯電路(STTL)屬于第三代 TTL電路。它在線路上采用了肖特基勢壘二極管箝位方法，使晶體管處于臨界飽和狀態(tài)，從而消除和避免了載流子存儲效應(yīng)。與此同時(shí)，在TTL電路與非門輸出級倒相器的基極引入晶體管分流器，可以改善與非門特性。三極管帶有肖特基勢壘二極管，可避免進(jìn)入飽和區(qū)，具有高速性能;輸出管加上分流器，可保持輸出級倒相的抗飽和程度。這類雙極型集成電路，已不再屬于飽和型集成電路，而屬于另一類開關(guān)速度快得多的抗飽和型集成電路。

發(fā)射極耦合邏輯電路(ECL)是電流型邏輯電路(CML)。這是一種電流開關(guān)電路，電路的晶體管工作在非飽和狀態(tài)，電路的開關(guān)速度比通常TTL電路又快幾倍。ECL邏輯電路把電路開關(guān)速度提高到 1納秒左右，大大超過 TTL和STTL電路。ECL電路的出現(xiàn)，使雙極型集成電路進(jìn)入超高速電路范圍。

集成注入邏輯電路 (I2L)又稱合并晶體管邏輯電路(MTL)，是70年代研制成的。在雙極型集成電路中，I2L電路的集成密度是最高的。

三層結(jié)構(gòu)邏輯電路(3TL)是1976年中國在I2L電路的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，因有三層結(jié)構(gòu)而得名。3TL邏輯電路采用NPN管為電流源，輸出管采用金屬做集電極(PNM)，不同于I2L結(jié)構(gòu)。

多元邏輯電路(DYL)和雙層邏輯電路(DLL)，是1978年中國研制成功的新型邏輯電路。DYL邏輯電路線性與或門，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)邏輯和線性邏輯處理功能。DLL電路是通過ECL和TTL邏輯電路雙信息內(nèi)部變換來實(shí)現(xiàn)電路邏輯功能的。

此外，在雙極型集成電路發(fā)展過程中，還有許多其他型式的電路。例如，發(fā)射極功能邏輯電路(EFL)、互補(bǔ)晶體管邏輯電路(CTL)、抗輻照互補(bǔ)恒流邏輯電路(C3L)、電流參差邏輯電路(CHL)、三態(tài)邏輯電路(TSL)和非閾值邏輯電路(NTL)等。

按照線路要求和工藝條件設(shè)計(jì)元件的圖形和尺寸，并進(jìn)行布局和布線，同時(shí)設(shè)計(jì)出一套光刻掩模版圖形。

版圖設(shè)計(jì)的第一步，是對既定線路按不同電位劃分隔離區(qū)和確定元件之間的布線。然后，轉(zhuǎn)入對元件的設(shè)計(jì)。雙極型集成電路的元件包括晶體管、二極管、電阻和電容。其中 NPN晶體管的設(shè)計(jì)是核心。設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的集成電路，首先要設(shè)計(jì)出電學(xué)性能符合要求的晶體管，而晶體管的特性又是由其圖形、尺寸和工藝條件所決定的。

在雙極型集成電路中，常用的晶體管圖形有5種，每一種圖形各有其特殊作用(見)。這 5種圖形是單基極條形、雙基極條形、雙基極、雙集電極條形、基極馬蹄形(并聯(lián)擴(kuò)展可設(shè)計(jì)成梳形結(jié)構(gòu))和發(fā)射極馬蹄形。在版圖設(shè)計(jì)中，往往在同一塊版圖中幾種晶體管圖形會同時(shí)出現(xiàn)，這是因?yàn)椴煌w管在電路中所起作用不同。雙極型集成電路

雙極型集成電路版圖設(shè)計(jì)中常用的二極管，是與晶體管同時(shí)制成的。二極管可以利用單獨(dú)一個(gè)基區(qū)擴(kuò)散結(jié);也可以先做成NPN晶體管結(jié)構(gòu)，然后用一定方式連接成二極管。后者的基本連接方式有5種:①基極和集電極短接;②發(fā)射極和基極短接;③發(fā)射極開路;④發(fā)射極和集電極短接;⑤集電極開路。這5種連接法和單獨(dú)一個(gè)基區(qū)擴(kuò)散結(jié)共有6種不同的二極管。這6種形式的二極管因結(jié)構(gòu)不同，特性也有差異，在應(yīng)用中根據(jù)不同要求加以選擇。

在雙極型集成電路的版圖設(shè)計(jì)中，電阻通常是隨同晶體管的某一擴(kuò)散工藝同時(shí)進(jìn)行而制成擴(kuò)散電阻的。原則上，不論發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)(外延層)，都可以制作電阻。①基區(qū)硼擴(kuò)散電阻:其薄層電阻值為 150~200歐/□左右，邏輯集成電路中的電阻值范圍比較適中，而且溫度系數(shù)也較小，一般為 1.9×10-3/。②發(fā)射區(qū)磷擴(kuò)散電阻:其薄層電阻值為2~5歐/□，可用作低值電阻。但實(shí)際上常用作"磷橋"，代替內(nèi)部金屬連線遇到難以避免交叉時(shí)完成交越;③基區(qū)溝道電阻:這是利用基區(qū)擴(kuò)散和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散形成的。因?yàn)楸雍鼙?，擴(kuò)散雜質(zhì)濃度也低，薄層電阻可高達(dá)5~20千歐/□。溫度系數(shù)較高，一般為3~5×10-3/。這種電阻器又受到工作電壓的限制，當(dāng)反偏壓升高時(shí)，PN結(jié)勢壘區(qū)擴(kuò)張，使溝道變得更薄，阻值變大;反之，偏壓降低，阻值變小;④體電阻:外延層體電阻阻值很難控制，可用作高阻值電阻，其溫度系數(shù)高，約為5×10-3/。