全面详解半导体制造工艺与进化.docx

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1、全面详解半导体制造工艺与进化目录技术前沿：半导体工艺与进化2?I.BIPOLAR工艺41.1.发展沿革4?BiPolar工艺的优势8?Bipolar工艺的制造流程8?BiPoIar工艺的应用8?2.CMOS工艺9?概述9?CMOS应用15?COMS门电路16?CMOS逻辑电平17?CMOS集成电路的性能特点17?CMOS工作原理及详解18?非门18?与非门工作原理19?或非门工作原理19?三态门的工作原理20?COMS传感器22?CmOSSenSorStaCk22?SenSOrflOOrPian(平面构造图)22?光子(PhotOn)与量子效率(quantumefficiency)24?与量子

2、效率QE有关的几个重要概念25?感光过程26?读取过程26?Sensor动态范围27?Sensor时序28?NoiseinSensor28?COMS技术28?BICMOS工艺373. 1.概述37?BiCoMS器件结构39?BCD工艺404. 1.概述40?BCD首创者-意法半导体42?SOI-CMOS445. 1.概述44?SOl晶圆制造45?GaAs工艺466. 1.概述46?GaAS主要制程46?GaN工艺55?SiC工艺59?磷化纲(InP)工艺64?FinFET工艺6610.1.概述66?SOI与FINFET对比67?什么是FinFET?68?FinFET到底有多牛？70?未来：光与

3、电在芯片里的结合73技术前沿：半导体工艺与进化半导体材料各自下游应用领域的重合度并不高，因此不同半导体材料之间并非代际迭代关系。而磷化钿作为第二代半导体材料，广泛应用于5G通信、数据中心、人工智能、无人驾驶、可穿戴设备等领域，重要性与日俱增。第一代半导体:第二代半导体:第三代半导体:图1半导体工艺集成电路发展到今天，经历从1940年的PN结发现，到1950年BJT三极管发明，再到1963年CMoS电路发明。从单纯基于Si的半导体电路,再到GaAs,GaN,SiGe,InP等化合物半导体集成电路。不断的通过化学材料配比，基本单元的结构革新，以及多种材料融合实现，效率，体积，速度，成本的突破。P型

4、半导体内建电场n型半导体AlO丁大数据半导体制造工艺分类MOS型双极型PNP型1.BIPOLAR工艺1.1.发展沿革1950年发明，早期模拟电路广泛使用BlPOLAR工艺，BIPOALR工艺可以做到非常低的漏电，非常低的噪声，但是BIPoLAR最大问题是实现数字电路比较困难，或者占用面积较大。当电路速度较高时候，整体功耗会比较大。所以纯粹的Bipolar电路在大规模高集成电路中使用的越来越少。发射极七Aw啰据图2BIPOLAR集成电路单元图3BIPOLAR集成电路微元BiPOlar工艺是一种特殊的半导体加工技术，其核心原理是在同一晶片中同时制作PN结和NP结，从而实现NPN或PNP晶体管的制造

5、。3DG6 3AX31外形示意图NPN型硅管 结构图图4 BIPOLAR单元市意图PNP型铸管双极性晶体管,英语名称为BiPOIaTranSiStOr,是双极性结型晶体管的简称,由于其具有三个终端，因此通常将其称为三极管。三极管由两个PN结构成，两个PN结将其分为发射区、基区和集电区，相应的产生三个电极：发射极、基极和集电极。集电极c集电atqc(a)NPN型三及管(b)PNP型三极管图5双极型三极管的结构和副好图场效应晶体管，英语名称为FiekiEffeCtTranSiStor,简称为场效应管，是一种通过对输入回路电场效应的控制来控制输出回路电流的器件。可分为结型和绝缘栅型、增强型和耗尽型、

6、N沟道和P沟道。a)产塌图6BIPOLAR的结型和绝缘栅型、增强型和耗尽型、N沟道和P沟道极。在其栅源间加负向电压、漏源间加正向电压以保证场效应管可以正常工作。所加负向电压越大，在PN结处所形成的耗尽区越厚，导电沟道越窄，沟道电阻越大，漏极电流越小；反之，所加负向电压越小，在PN结处所形成的耗尽区越薄，导电沟道越厚，沟道电阻越小，漏极电流越大。由此通过控制栅源间所加负向电压完成了对沟道电流的控制。Vdsos源/*注入CMOS（Complementary4：补式mos）简单来说，CMoS电路就是在同个基体上建即mos和nmos来达成一个逻辑电路，具有相当。的新八网物上低功率消耗。一、,人小月I9

7、60年被发明，可以用在数字电路，也可以使用在数模混合电路上。对于超过IOMPS以上数模转换的电路，广泛使用CMoS电路，主要是功耗收益比较大，使用CMOS比较容易实现模拟电路和数字电路的集成。CMoS前工序 B阱的制作隔离区的制作：栅极的制作源、漏极的制作CMoS前工序Z钝化层的制作连线的制作接触孔的制作I七AQT大号1.drain(L):gatelength(layoutgatelength)1.eff:effectivegatelength1.d:S/DsidediffusionlengthW/L:aspectratioS,D,G,B:SoiIrCe,drain,gate,body(buN

8、*ov:缴据ICMoS=NMC)S+PMOSHn*SourceZDrainGateOXideP*SourceZDrainSiSTIUSGFBalkSiCMOS应用CMOS被广泛应用在数字电路和模拟电路之中。在数字电路中，由CMOS门电路（非门、或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门、OD门、传输门、三态门）使得各种逻辑的实现成为可能，让数字电路成为一个丰富多彩的世界。图7CMOS与非门和或非门这些数字门可以相互组合构成更复杂的电路，如利用门电路的固有延迟时间将奇数个反相器首尾相连，就可以做出环形振荡器。GiGz阳G3图8环形振荡器在模拟电路中，CMOS也是基石般的存在。尽管随着电路设计的

9、发展，越来越多类型的器件出现，如DMoS、BJT等，但是CMOS仍然发挥着不可替代的重要作用，并且越来越多的工艺要求将CMoS和其他器件能共同集成，如现在大势的BCD工艺3,将BJT,DMOS,CMOS结合到了一起。p substrate VNPNB SGD DGS BW 山 W k2iJ - Sp-welweHdeep nwllS/B G DTL1NMOSPMOS图9BCD工艺在典型的模拟电路应用中，构成基准电路、LD0、过压保护电路等复杂电路中，CMOS都随处可见。COMS门电路CMOS门电路一般是由MOS管构成，由于MOS管的栅极和其它各极间有绝缘层相隔，在直流状态下，栅极无电流，所以静

10、态时栅极不取电流，输入电平与外接电阻无关。由于MOS管在电路中是一压控元件，基于这一特点，输入端信号易受外界干扰，所以在使用CMOS门电路时输入端特别注意不能悬空。在使用时应采用以下方法：1）、与门和与非门电路：由于与门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就为低电平，只有全部为高电平时，输出端才为高电平。而与非门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就是高电平，只有当输入信号全部为高电平时，输出信号才是低电平。所以某输入端输入电平为高电平时，对电路的逻辑功能并无影响，即其它使用的输入端与输出端之间仍具有与或者与非逻辑功能。这样对于CMoS与门、与非门电路的多余输入端就应采用高电平，即可通过限流电阻(50OQ)接电源。2)、或门、或非门电路：或门电路的逻辑功能是输入信号只要有高电平输出信号就为高电平，只有输入信号全部为低电平时，输出信号才为低电平。而或非门电路的