电信学院微电子教研室 半导体制造技术
by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
第 16 章
器件技术
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by Michael Quirk and Julian Serda
目 标
通过本章的学习，将能够,
1,辨别出模拟和数字, 有源和无源器件的不同 。 说明在无
源器件中寄生结构的影响；
2,对 PN结进行描述, 讨论其重要性, 并解释其反向偏压和
正向偏压的不同；
3,描述双极技术特征和双极晶体管的功能, 偏压, 结构及
应用；
4,描述 CMOS 技术的基本特征, 包括场效应晶体管, 偏压
现象以及 CMOS反相器
5,描述 MOSFET 增强型和耗尽型之间的区别；
6,描述寄生晶体管的影响和 CMOS 闩锁效应的本质；
7,列举一些集成电路产品, 描述其各自的一些应用 。
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引 言
? 用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的 。 通用
的微芯片器件包括电阻, 电容, 熔丝, 二极管和
晶体管 。 它们在衬底上的集成是集成电路芯片制
造技术的基础 。
? 硅片上 电子器件的形成方式被称为结构 。 半导体
器件结构有成千上万钟 。 这里只能列举出其中的
一部分 。 本章将讨论器件的实际形成, 以了解它
们在应用中是怎样发挥作用的 。 同时, 本章还将
对集成电路产品的不同分类进行回顾 。
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印刷电路板上的元件
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电路类型
? 模拟电路
在电子技术中, 模拟电路是指其电参数在
一定电压, 电流, 功耗值范围内变化的一种电
路 。 模拟电路可以设计成由直流 （ DC）, 交
流 （ AC） 或者两者的混合, 以及脉冲电流来
作为工作电源 。 以模拟电路为工作原理的电子
产品有：无线电发射器和接收器, 声音的录制
和回放装置等 。 然而输入输出信号的放大不能
总是与预定的值相符 。 例如 。 用 AM/FM收音
机搜索电台时, 不是所有无线信号都有相同的
信号强渡 。 因此, 音量的控制必须根据输入信
号的强度作调整 。
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? 数字电路
数字电路在两种性质不同的电平信号－－高电
平和低电平下工作 。 逻辑高电平用二进制数字 1表
示, 逻辑低电平用二进制 0表示 。 数字电路与计算
机和计算器等逻辑器件有关 。 其他数字逻辑器件包
括：时钟, 手柄式电脑游戏以及条形码阅读器 。 数
字器件可用于测量并控制事件结果：要求既有开 /
关型命令, 又能受模拟线性电路分立增量变化的控
制 。 这也正是今天区别模拟器件和数字器件如此困
难的原因所在 。 高低电平准确数值取决于特别的器
件技术 。 下面是两个逻辑电平的例子,
逻辑类型 高电平＝ 1 低电平＝ 0
TTL 5 VDC 0.0 VDC
CMOS 3.5VDC 0.0 VDC
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无源元件结构
? 在电路中 电阻和电容都是无源元件 。 因为这些元
件无论怎样和电源连接, 它们都能传输电流 。 例
如, 一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接
,它都能传输同样的电流 。
? 集成电路电阻结构
集成电路中的电阻可以通过金属膜, 掺杂的
多晶硅, 或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产
生 。 这些电阻是微结构, 因此它们只占用衬底很
小的区域 。 电阻和芯片电路的连接是通过与导电
金属 （ 如铝, 钨等 ） 形成接触实现的 (见下图 ） 。
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Examples of Resistor Structures in ICs
Metal contact
Film type resistor
SiO2,dielectric
material
Metal contact
SiO2,dielectric
material
Figure 3.1
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寄生电阻结构
寄生电阻是在集成电路元件设计中产生的多
余电阻 。 它存在于器件结构中是因为器件的尺寸
,形状, 材料类型, 掺杂种类以及掺杂数量 。 寄
生电阻不是我们所需要的, 因为它会降低集成电
路器件的性能 。 下图表示了晶体管中寄生电阻的
位置 。
寄生电阻是可积累的, 这意味着一串电阻总
的效应比单个电阻大 。 在集成电路器件中 。 这些
寄生电阻的影响成为能否降低芯片上器件特征尺
寸的关键因素 。 随着集成度的提高, 电阻将会增
加, 是电性能总体下降 。 为此设计者可选用低电
阻金属作为接触层和特别工艺设计以减小有源器
件的体 （ bulk） 电阻 。
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Cross Section of Parasitic Resistances
in a Transistor
REC
REB RBB
RBC RCC
RCB
Metal contact resistance
Bulk resistance
n+
n+
p-
Base Emitter Collector
p- Substrate
Figure 3.2
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集成电路电容结构
? 大家知道, 一个简单的电容器是由两
个分立的导电层被介质 （ 绝缘 ） 材料
隔离开而形成的 。 微芯片制造中介质
材料通常是二氧化硅 （ SiO2）,平面型
电容器的导电层可由金属薄层, 掺杂
的多晶硅, 或者衬底的扩散区形成 。
通常衬底上的电容器由 4钟基本工艺组
成 （ 见下图 ） 。
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集成电路中电容结构示例
Substrate
Metal contacts
Substrate Dielectric material
(oxide)
2nd doped
poly layer
Metal contact
to 1st poly
1st doped
poly layer
Substrate
Metal contact
to diffused region
Doped poly layer
Substrate
1st,n+ poly
plate
2nd,n+ poly
plate
Dielectric material
(oxide)
Figure 3.3
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晶体管中寄生电容器示例
n n
n
S D G
p- Substrate
oxide
doped poly
Field effect transistor Bipolar junction transistor
n
p
n
C E B
p- Substrate
Figure 3.4
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有源元件结构
? pn 结二极管
? 双极晶体管
? 肖特基二极管
? 双极集成电路技术
? CMOS 集成电路技术
? 增强型和耗尽型 MOSFET
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p- Substrate
Cathode Anode
pn junction diode
Metal contact
Heavily doped p region
Heavily doped n region
Basic Symbol and Structure
of the pn Junction Diode
Figure 3.5
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Open-Circuit Condition of a pn Junction Diode
} p-type Si n-type Si
Depletion
region
Cathode Anode
Metal contact
Potential
hill
0 Barrier voltage
Charge distribution
of barrier voltage
across a pn Junction,
Figure 3.6
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p n
3 V Lamp
Open-circuit condition
(high resistance)
Reverse-Biased PN Junction Diode
Figure 3.7
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Forward-Biased PN Junction Diode
p n
3 V
Hole flow Electron flow
Lamp
Figure 3.8
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Forward and Reverse Electrical
Characteristics of a Silicon Diode
120 100 80 60 40 20
.4,8 1.2 1.6
+ I
- V + V
- I
Breakdown
voltage
Leakage
current
Reverse bias
curve
Forward bias
curve
Junction voltage
Figure 3.9
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Two Types of Bipolar Transistors
Physical structure p
n
p
Emitter
Collector
Base
B
C
E
pnp transistor
Schematic symbol
Physical structure
B
C
E
Emitter
Collector
Base
n
p
n
npn transistor
Schematic symbol
Figure 3.10
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NPN Transistor Biasing Circuit
Lamp
1.5 V
n
p
n
S1 B
C
E
3 V
Nonconduction mode Conduction mode
Ele
ctr
on
flo
w
e- e-
h+
1.5 V
n
p
n
S1 B
C
E
3 V
Lamp
Figure 3.11
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PNP transistor biasing circuit
Nonconduction mode
1.5 V
p
n
p
S1 B
C
E
3 V
Lamp
Conduction mode
Ho
le
flo
w
h+
e-
1.5 V
p
n
p
S1 B
C
E
3 V
h+
Lamp
Figure 3.12
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Cross Section of an NPN BJT
p- substrate
n+
p
n+
Metal contact
C E B
Figure 3.13
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肖特级二极管
肖特级二极管是由金属和轻掺杂的 n 型半
导体材料接触形成的 （ 见下图 ） 。 这种形式器
件的工作原理与普通二极管相似－－正偏时低
电阻, 反偏时高电阻 。 硅肖特级二极管的正向
结电压降 （ 0.3～ 0.5V）, 几乎是硅 pn结二极管
（ 0.6～ 0.8V） 的一半 。 肖特级二极管的最大优
势是其电导完全取决于电子, 这使其从开到关
的时间更快 。
肖特级二极管的发明使双极集成电路技术
得以在 21世纪继续应用 。 肖特级二极管的概念
已用于高速和更高功效的双极集成电路的发展
中 。
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Schematic Symbol and Structural Cross
Section of the Schottky Diode
Schottky contact Normal ohmic contact
Anode Cathode
n-
n+
Figure 3.14
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双极逻辑的种类
Ta bl e 3.1
Bi po l a r Log i c F a m i l i es
Bi po l a r Log i c F a m i l y A bbrev i a ti o n
D i rect - Co u p l ed T ran s i s t o r L o g i c D CT L
1
Res i s t o r - T ran s i s t o r L o g i c RT L
2
Res i s t o r - Cap aci t o r - T ran s i s t o r L o g i c RCT L
3
D i o d e - T ran s i s t o r L o g i c DTL
4
T ran s i s t o r - T ran s i s t o r L o g i c* TTL
5
Sch o t t k y T T L L o g i c* ST T L
6
E m i t t er - Co u p l ed L o g i c* E CL
7
1
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,I n teg r a ted C ir cu its a n d S emic o n d u cto r Dev ices,Th eo r y a n d A p p lica tio n,2
nd
ed itio n,Mc Gr aw - Hill,New Yo r k,NY,1 9 7 7,p, 1 9 2,
2
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
3
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
4
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
5
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
6
A, Sed r a,K,Sm ith,Micr o elec tr o n ic C ir cu its,Ox f o r d Un iv er s ity P r ess,1 9 9 8,p, 1 1 8 7,
7
A, Sed r a,K,Sm ith,Micr o elec tr o n ic C ir cu its,Ox f o r d Un iv er s ity P r ess,1 9 9 8,p, 1 196,
Table 3.1
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CMOS IC Technology
? The Field Effect Transistor
– MOSFETs
? nMOSFET
? pMOSFET
– Biasing the nMOSFET
– Biasing the pMOSFET
? CMOS Technology
? BiCMOS Technology
? Enhancement and Depletion-Mode
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CMOS 集成电路技术
? 场效应晶体管 （ FET）
场效应晶体管最早是为了解决能源消耗而
提出的, 诞生于 20世纪 70年代 。 后来发现 FET
是既节省能源又利于提高集成度的电子器件 。
尽管 FET 的早期实验应回到 20世纪 30年代, 但
第一批大量生产的场效应晶体管在 60年代成为
现实 。 从第一批改进的 FET一直被使用 。 现在
最流行的集成电路技术是 COMS（ 互补型金属
氧化物半导体 ） 技术, 它是围绕着 FET 设计和
制造的发展而发展的 。
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? 场效应晶体管的最大优势是它的低电压和低功
耗 。 它的开启是输入电压加到栅上产生的电场
的结果－－因此称为场效应晶体管 。
? FET 在线性 /模拟电路中作为放大器以及在数字
电路中作为开关元件使用 。 它的高输入阻抗和
适中的放大特性使其成为一种卓越的器件被广
泛应用 。 它的低功耗和可压缩性使其极适用于
一直在缩小尺寸的 ULSI工艺 。
? FET 有两种基本类型：结型 （ JFET） 和金属－
氧化物型 （ MOSFET ） 半导体 。 区别在于
MOSFET作为场效应晶体管输入端的栅极由一
层薄介质 （ SiO2） 与其他两极绝缘 。 JFET的栅
极实际上同晶体管其他电极形成物理的 pn结 。
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nMOSFET
(n-channel)
Gate
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Source
Gate
Drain
Substrate
pMOSFET
(p-channel)
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
Source
Gate
Drain
Substrate
Two Types of MOSFETs
Figure 3.15
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VDD = + 3.0 V
Open gate (no charge)
Lamp
(no conduction)
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Gate
VGG = + 0.7 V
S1
Biasing Circuit for an NMOS Transistor
Figure 3.16
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NMOS Transistor in Conduction Mode
S1
IDS
VDD = + 3.0 V
Positive charge
Lamp
e-
e-
e-
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + Source Drain
p-type silicon substrate
Gate
n+ n+
Holes
VGG = + 0.7 V
Figure 3.17
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Example of Characteristics Curves
of an N-channel MOSFET
Figure 3.18
600
500
400
300
200
100
0
VGS = +5V
VGS = +4V
VGS = +3V
VGS = +2V
VGS = +1V
0 1 2 3 4 5 6
Drain-Source Voltage,VDS (volts)
Dr
ain
C
urr
ent
,I D
S
(m
a)
Saturation Region Linear Region
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VDD = -3.0 V
Open gate (no charge)
Lamp
(no conduction)
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
VGG = - 0.7 V
S1
Biasing Circuit for a P-Channel MOSFET
Figure 3.19
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IDS
VDD = - 3.0 V
Lamp
e-
e-
e-
Gate
Source Drain
- - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - -
n-type silicon substrate
Electrons
p+ p+
Negative charge VGG = - 0.7 V
S1
PMOS Transistor in Conduction Mode
Figure 3.20
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COMS技术
? 以 MOSFET为基础的 IC 制造, 多年来都集中在单
一的 n沟道 MOSFET技术为基础的产品制造和开发
上 。 尽管分立的 pMOS 晶体管在特定电子应用方面
适合很多适用的功能, 但是通常 nMOS集成电路器
件替代了 pMOS技术 。 因此, nMOS成为绝大多数
集成电路制造商的选择 。
? COMS是在同一集成电路上 nMOS和 pMOS混合 。
功耗, 设计等比缩放技术和制造工艺的改进相结合
使 CMOS技术在 20世纪 80年代就成了一种最普遍地
器件技术 。
? 等比缩放 用于描述综合尺寸和现有的 IC工作电压的
缩小过程 。 所有尺寸和电压都必须在通过设计模型
应用时统一缩小, 这些模型是 IC设计者们在电路设
计和版图设计阶段使用的 。
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S
G
Input
D
+ VDD
D
S
G
Output
pMOSFET
nMOSFET
- VSS
CMOS 反相器的电路图
Figure 3.21
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CMOS反相器
? CMOS反相器电路的功效产生于输入信号为零
的转换期 。 当输入信号为零时晶体管没有功耗
。 nMOS,TTL和 ECL电路与 CMOS的不同在于
即使是没有输入信号, 这些逻辑器件也会消耗
功耗 。 这也是现在原意在诸如计算器, 时钟,
移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品的制
造中使用 COMS集成电路技术的主要原因 。
? 简单 CMOS反相器的物理结构如下面的顶视图
和截面图所示 。
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pMOSFET nMOSFET
-VSS +VDD S D D S
G G
n-type silicon substrate
p-well
p+ p+ n+ n+
n-well
Polysilicon
Metal
Top View of CMOS Inverter
Figure 3.22
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-VSS +VDD S D D S
G G
p+ p+
p-well
n+ n+
n-type silicon substrate
n+ p+
pMOSFET nMOSFET
Field oxide
Interlayer
Oxide
Metal
Cross-section of CMOS Inverter
Figure 3.23
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BiCOMS
? BiCOMS技术就是将 CMOS和双极技术的优良
性能集中在同一集成电路器件中 。 BiCOMS综
合了 COMS结构的低功耗, 高集成度和 TTL或
ECL器件结构的高电流驱动能力 。 BiCOMS产
品的应用能在所有需要复查高功耗负载的数字
控制中 。 在这种情况下, 数 /模 （ D/A） 转换器
芯片可以用来提供用作电子机械设备的控制模
拟驱动信号 。 在测试仪器端口, 模 / 数 （ A/D）
芯片可以用于测量模拟驱动信号的输出 。 下图
表示了一个 BiCOMS芯片用于使用仪器和控制
应用的基本例子 。 BiCOMS芯片的其他应用包
括汽车电子设备, 航空航天, 机器人技术和工
业设备 。
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BiCMOS Chips used in the Control of a
Simple Heating System
mV Measured signal
CPU
Output
Input
BiCMOS
BiCMOS
DAC
ADC
Digital
side
Setpoint
Feedback
0-5 V
0-5 V
AMP
AMP
Drive signal
Analog
side
Heating
element
Process
chamber
Temperature
sensor
+ 48 VDC
Figure 3.24
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CMOS
section Bipolar section
INPUT
OUTPUT
Q1
Q2
Q3
Q4
Simple BiCMOS Inverter
Figure 3.25
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M OS F E T
T yp e
M od e S t an d b y
Cond it ion
V
GG
S wit c h in g
Re q u ir e m e n t s
P h ys ic al S t r u c t u r e
n M OS E n h a n c e m e n t Of f +
n M OS De pl e t i o n On -
pM OS E n h a n c e m e n t Of f -
pM OS De pl e t i o n On +
Comparison of Enhancement and
Depletion Mode MOSFETs
Gate
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
Gate
Source Drain
n-type silicon substrate
p+ p+
p-type silicon substrate
Gate
Source Drain
n+ n+
p-type silicon substrate
Figure 3.26
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COMS器件的闩锁效应
? 与寄生电阻和寄生电容一样, CMOS器件中的
pn结也能产生寄生晶体管, 下图说明了 CMOS
反相器中的寄生晶体管 。 互补晶体管 (T1,T2)
是在 CMOS结构中 MOSFET正常制作的结果 。
? 给定某一工作条件可能开启寄生晶体管, 并且
产生低电阻电流路径流过 CMOS结构 。 晶体管
被锁定, 因而阻止了 CMOS器件中对 MOSFET
的控制 。
? 闩锁现象是一个非常复查的概念 。 了解此概念
有助于大家为阻止这种现象所采用的设计和制
作步骤 。
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T1 T2
RS
n-type substrate
VSS VDD S D D S
G G
p+ p+
p-well
n+ n+ n+ p+
pMOSFET nMOSFET
RW
Latchup in CMOS Devices
Figure 3.27
Parasitic Junction Transistors within a CMOS Structure
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阻止闩锁效应的制作技术
? 在晶体管之间制作隔离缓冲区；
? 在衬底和 CMOS结构之间设置外延层；
? 用离子注入产生倒掺杂阱。
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Integrated Circuit Products
? Linear IC Products
– Operational Amplifier
– Voltage Regulator
– Stepper Motor Driver
? Digital IC Products
– Volatile Memory
? RAM
? DRAM
? SRAM
? MPU or CPU
? Digital IC Products
(continued)
– Nonvolatile Memory
? ROM
? PROM
? EPROM
? EEPROM
? ASIC
? PLD
? PAL
? PLA
? MPGA
? FPGA
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数字集成电路产品类型
非永久性存储器
是一种 允许数据根据需要储存并改变 的半导
体器件。当电源关闭时非永久性存储器数据丢失
。此类存储器适用于电脑、计算器以及自动化、
航空宇宙、医学、军事和工业设备装置。包括,
? RAM 随机存取存储器, 是一种能 读取存储数
据或者擦除数据并用新数据重写 的器件 。 想要改
变存储在内存单元的数据不必将 RAM芯片从印刷
电路板上拔下 。 它的内容可以很容易在正常逻辑
系统运行时改变 。
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? DRAM 动态存储器, 是最普通和成本最低的
RAM。 术语, 动态, 是指存储电容器必须有规律
地使用更新电压以保留数据 。 DRAM需要更高的
电能运行电容器 。
? SRAM 静态存储器, 它是使用触发器作为存储寄
存器 。 SRAM不需要更新, 因此它比 DRAM需要
的电能低 。 数据在电源移开时同时消失 。
? MPU或 CPU 微处理单元 （ 也称中央处理单元 ）
是对单独或内部的 ROM发出指令程序的复查逻辑
集成电路 。 MPU能判定并执行数学功能 。 可用在
任何需要控制功能或者计算功能的应用中 。
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数字集成电路产品类型
固定存储器
是一种设计成 以电子电荷的形式存储数字
数据 的半导体器件 。 电荷甚至在电源关闭时也
保留在存储器中 。 可用在任何逻辑指令必须存
储以备以后读取的应用中 。 包括,
? ROM 只读存储器, 在集成电路制造过程中
数据就直接编写在里面了 。 这里也提及掩膜可
编程 ROM。 这种在制作过程中使用的掩膜装置
包含了特定 ROM的数据模式 。 ROM的制造成
本非常昂贵 。 ROM是固定存储器的最早形式 。
用户可以读取已写入 ROM的数据, 但不能改变
它的内容 。
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? PROM 可编程只读存储器 。 是一种能现场编
程而且比掩膜可编程 ROM便宜的集成电路 。 使
用工具应用大电压脉冲以使内存单元按需要改
变 。 在计算机正常工作时编入内存的数据不能
改变 。 有两种类型－－ EPROM和 EEPROM
? EPROM 可擦除只读存储器 。 可以将数据擦
除和重写 。 芯片必须从电路板上取下并用紫外
线照射进行擦除 。 然后 EPROM可重新写入 。
EPROM比其前两代产品有所进步, 然而任何
存储数据的改变都必须需要完成 PROM擦除后
接着重写 。
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? EEPROM（ E2PROM） 可用电信号擦除并且
不需要从电路板上取下就能进行重写的 ROM。
是最方便的 ROM。 这种器件的工作原理更像随
机存储器, 因为它不用任何特殊装置就能擦除
和重写 。
? 快闪存储器 是一种能擦除和重写的固定存储
器－－ 与电信号可擦除可编程只读存储器 （
EEPROM） 类似, 只是更新速度快 。 常常用于
存储运行数据, 例如个人电脑的基本输入 / 输
出系统 （ BIOS） 。 快闪存储器可用于计算机,
数字便携式电话 。 数码相机, 嵌入控制器和其
它产品 。
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? AISC 专用集成电路, 是完全的用户定制设计
和制造以满足单个用户需要的集成电路 。 AISC
可以包括现有的逻辑电路以及用户要求的设计
特征 。 也是固有存储器 。 生产成本较高 。
? PLD 可编程逻辑器件, 是利用多种逻辑元件
组成的逻辑电路 。 实际的逻辑功能实现由用户
决定, 用户使用一些设计软件格式来确定编程
点的状态 。
? PAL 可编程阵列逻辑集成电路 。 包括一个用
于建立定制逻辑电路可编程逻辑门的网络 。
PAL有一个输入 AND（ 与 ） 门阵列驱动的输出
OR（ 或 ） 门 。 与门根据需要可现场编程, 但
输出的或门是固定的 。
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by Michael Quirk and Julian Serda
? PLA 可编程逻辑阵列 。 与 PAL的区别在于它
的输入与门和输出或门都是可编程的 。
? MPGA 掩膜可编程门阵列 。 可被定制以满足
单个用户的功能需要 。 在制造过程的初始阶段
,由特殊制造方法生产的所有门阵列产品包含
了相同数量和结构的晶体管电路 。
? FPGA 现场可编程门阵列 。 是一种最终的逻辑
产品不需要使用集成电路制造设备就能现场确
定的集成电路器件 。 FPGA内的可编程逻辑开
关能被激活从而在需要的逻辑电路之间产生连
接 。 现场定制的方便和低制造成本使 FPGA有
可能替代 MPGA。
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Chapter 3 Review
? Summary 62
? Key Terms 62
? Review Questions 63
? IC Manufacturers’ Web Sites 64
? References 65
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半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
第 16 章
器件技术
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目 标
通过本章的学习，将能够,
1,辨别出模拟和数字, 有源和无源器件的不同 。 说明在无
源器件中寄生结构的影响；
2,对 PN结进行描述, 讨论其重要性, 并解释其反向偏压和
正向偏压的不同；
3,描述双极技术特征和双极晶体管的功能, 偏压, 结构及
应用；
4,描述 CMOS 技术的基本特征, 包括场效应晶体管, 偏压
现象以及 CMOS反相器
5,描述 MOSFET 增强型和耗尽型之间的区别；
6,描述寄生晶体管的影响和 CMOS 闩锁效应的本质；
7,列举一些集成电路产品, 描述其各自的一些应用 。
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引 言
? 用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的 。 通用
的微芯片器件包括电阻, 电容, 熔丝, 二极管和
晶体管 。 它们在衬底上的集成是集成电路芯片制
造技术的基础 。
? 硅片上 电子器件的形成方式被称为结构 。 半导体
器件结构有成千上万钟 。 这里只能列举出其中的
一部分 。 本章将讨论器件的实际形成, 以了解它
们在应用中是怎样发挥作用的 。 同时, 本章还将
对集成电路产品的不同分类进行回顾 。
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印刷电路板上的元件
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电路类型
? 模拟电路
在电子技术中, 模拟电路是指其电参数在
一定电压, 电流, 功耗值范围内变化的一种电
路 。 模拟电路可以设计成由直流 （ DC）, 交
流 （ AC） 或者两者的混合, 以及脉冲电流来
作为工作电源 。 以模拟电路为工作原理的电子
产品有：无线电发射器和接收器, 声音的录制
和回放装置等 。 然而输入输出信号的放大不能
总是与预定的值相符 。 例如 。 用 AM/FM收音
机搜索电台时, 不是所有无线信号都有相同的
信号强渡 。 因此, 音量的控制必须根据输入信
号的强度作调整 。
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? 数字电路
数字电路在两种性质不同的电平信号－－高电
平和低电平下工作 。 逻辑高电平用二进制数字 1表
示, 逻辑低电平用二进制 0表示 。 数字电路与计算
机和计算器等逻辑器件有关 。 其他数字逻辑器件包
括：时钟, 手柄式电脑游戏以及条形码阅读器 。 数
字器件可用于测量并控制事件结果：要求既有开 /
关型命令, 又能受模拟线性电路分立增量变化的控
制 。 这也正是今天区别模拟器件和数字器件如此困
难的原因所在 。 高低电平准确数值取决于特别的器
件技术 。 下面是两个逻辑电平的例子,
逻辑类型 高电平＝ 1 低电平＝ 0
TTL 5 VDC 0.0 VDC
CMOS 3.5VDC 0.0 VDC
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无源元件结构
? 在电路中 电阻和电容都是无源元件 。 因为这些元
件无论怎样和电源连接, 它们都能传输电流 。 例
如, 一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接
,它都能传输同样的电流 。
? 集成电路电阻结构
集成电路中的电阻可以通过金属膜, 掺杂的
多晶硅, 或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产
生 。 这些电阻是微结构, 因此它们只占用衬底很
小的区域 。 电阻和芯片电路的连接是通过与导电
金属 （ 如铝, 钨等 ） 形成接触实现的 (见下图 ） 。
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Examples of Resistor Structures in ICs
Metal contact
Film type resistor
SiO2,dielectric
material
Metal contact
SiO2,dielectric
material
Figure 3.1
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寄生电阻结构
寄生电阻是在集成电路元件设计中产生的多
余电阻 。 它存在于器件结构中是因为器件的尺寸
,形状, 材料类型, 掺杂种类以及掺杂数量 。 寄
生电阻不是我们所需要的, 因为它会降低集成电
路器件的性能 。 下图表示了晶体管中寄生电阻的
位置 。
寄生电阻是可积累的, 这意味着一串电阻总
的效应比单个电阻大 。 在集成电路器件中 。 这些
寄生电阻的影响成为能否降低芯片上器件特征尺
寸的关键因素 。 随着集成度的提高, 电阻将会增
加, 是电性能总体下降 。 为此设计者可选用低电
阻金属作为接触层和特别工艺设计以减小有源器
件的体 （ bulk） 电阻 。
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Cross Section of Parasitic Resistances
in a Transistor
REC
REB RBB
RBC RCC
RCB
Metal contact resistance
Bulk resistance
n+
n+
p-
Base Emitter Collector
p- Substrate
Figure 3.2
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集成电路电容结构
? 大家知道, 一个简单的电容器是由两
个分立的导电层被介质 （ 绝缘 ） 材料
隔离开而形成的 。 微芯片制造中介质
材料通常是二氧化硅 （ SiO2）,平面型
电容器的导电层可由金属薄层, 掺杂
的多晶硅, 或者衬底的扩散区形成 。
通常衬底上的电容器由 4钟基本工艺组
成 （ 见下图 ） 。
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集成电路中电容结构示例
Substrate
Metal contacts
Substrate Dielectric material
(oxide)
2nd doped
poly layer
Metal contact
to 1st poly
1st doped
poly layer
Substrate
Metal contact
to diffused region
Doped poly layer
Substrate
1st,n+ poly
plate
2nd,n+ poly
plate
Dielectric material
(oxide)
Figure 3.3
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晶体管中寄生电容器示例
n n
n
S D G
p- Substrate
oxide
doped poly
Field effect transistor Bipolar junction transistor
n
p
n
C E B
p- Substrate
Figure 3.4
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有源元件结构
? pn 结二极管
? 双极晶体管
? 肖特基二极管
? 双极集成电路技术
? CMOS 集成电路技术
? 增强型和耗尽型 MOSFET
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p- Substrate
Cathode Anode
pn junction diode
Metal contact
Heavily doped p region
Heavily doped n region
Basic Symbol and Structure
of the pn Junction Diode
Figure 3.5
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Open-Circuit Condition of a pn Junction Diode
} p-type Si n-type Si
Depletion
region
Cathode Anode
Metal contact
Potential
hill
0 Barrier voltage
Charge distribution
of barrier voltage
across a pn Junction,
Figure 3.6
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p n
3 V Lamp
Open-circuit condition
(high resistance)
Reverse-Biased PN Junction Diode
Figure 3.7
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Forward-Biased PN Junction Diode
p n
3 V
Hole flow Electron flow
Lamp
Figure 3.8
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Forward and Reverse Electrical
Characteristics of a Silicon Diode
120 100 80 60 40 20
.4,8 1.2 1.6
+ I
- V + V
- I
Breakdown
voltage
Leakage
current
Reverse bias
curve
Forward bias
curve
Junction voltage
Figure 3.9
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Two Types of Bipolar Transistors
Physical structure p
n
p
Emitter
Collector
Base
B
C
E
pnp transistor
Schematic symbol
Physical structure
B
C
E
Emitter
Collector
Base
n
p
n
npn transistor
Schematic symbol
Figure 3.10
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NPN Transistor Biasing Circuit
Lamp
1.5 V
n
p
n
S1 B
C
E
3 V
Nonconduction mode Conduction mode
Ele
ctr
on
flo
w
e- e-
h+
1.5 V
n
p
n
S1 B
C
E
3 V
Lamp
Figure 3.11
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PNP transistor biasing circuit
Nonconduction mode
1.5 V
p
n
p
S1 B
C
E
3 V
Lamp
Conduction mode
Ho
le
flo
w
h+
e-
1.5 V
p
n
p
S1 B
C
E
3 V
h+
Lamp
Figure 3.12
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Cross Section of an NPN BJT
p- substrate
n+
p
n+
Metal contact
C E B
Figure 3.13
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肖特级二极管
肖特级二极管是由金属和轻掺杂的 n 型半
导体材料接触形成的 （ 见下图 ） 。 这种形式器
件的工作原理与普通二极管相似－－正偏时低
电阻, 反偏时高电阻 。 硅肖特级二极管的正向
结电压降 （ 0.3～ 0.5V）, 几乎是硅 pn结二极管
（ 0.6～ 0.8V） 的一半 。 肖特级二极管的最大优
势是其电导完全取决于电子, 这使其从开到关
的时间更快 。
肖特级二极管的发明使双极集成电路技术
得以在 21世纪继续应用 。 肖特级二极管的概念
已用于高速和更高功效的双极集成电路的发展
中 。
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Schematic Symbol and Structural Cross
Section of the Schottky Diode
Schottky contact Normal ohmic contact
Anode Cathode
n-
n+
Figure 3.14
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双极逻辑的种类
Ta bl e 3.1
Bi po l a r Log i c F a m i l i es
Bi po l a r Log i c F a m i l y A bbrev i a ti o n
D i rect - Co u p l ed T ran s i s t o r L o g i c D CT L
1
Res i s t o r - T ran s i s t o r L o g i c RT L
2
Res i s t o r - Cap aci t o r - T ran s i s t o r L o g i c RCT L
3
D i o d e - T ran s i s t o r L o g i c DTL
4
T ran s i s t o r - T ran s i s t o r L o g i c* TTL
5
Sch o t t k y T T L L o g i c* ST T L
6
E m i t t er - Co u p l ed L o g i c* E CL
7
1
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,I n teg r a ted C ir cu its a n d S emic o n d u cto r Dev ices,Th eo r y a n d A p p lica tio n,2
nd
ed itio n,Mc Gr aw - Hill,New Yo r k,NY,1 9 7 7,p, 1 9 2,
2
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
3
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
4
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
5
G,Deb o o an d C, B u r r o u s,ib id,
6
A, Sed r a,K,Sm ith,Micr o elec tr o n ic C ir cu its,Ox f o r d Un iv er s ity P r ess,1 9 9 8,p, 1 1 8 7,
7
A, Sed r a,K,Sm ith,Micr o elec tr o n ic C ir cu its,Ox f o r d Un iv er s ity P r ess,1 9 9 8,p, 1 196,
Table 3.1
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CMOS IC Technology
? The Field Effect Transistor
– MOSFETs
? nMOSFET
? pMOSFET
– Biasing the nMOSFET
– Biasing the pMOSFET
? CMOS Technology
? BiCMOS Technology
? Enhancement and Depletion-Mode
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CMOS 集成电路技术
? 场效应晶体管 （ FET）
场效应晶体管最早是为了解决能源消耗而
提出的, 诞生于 20世纪 70年代 。 后来发现 FET
是既节省能源又利于提高集成度的电子器件 。
尽管 FET 的早期实验应回到 20世纪 30年代, 但
第一批大量生产的场效应晶体管在 60年代成为
现实 。 从第一批改进的 FET一直被使用 。 现在
最流行的集成电路技术是 COMS（ 互补型金属
氧化物半导体 ） 技术, 它是围绕着 FET 设计和
制造的发展而发展的 。
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? 场效应晶体管的最大优势是它的低电压和低功
耗 。 它的开启是输入电压加到栅上产生的电场
的结果－－因此称为场效应晶体管 。
? FET 在线性 /模拟电路中作为放大器以及在数字
电路中作为开关元件使用 。 它的高输入阻抗和
适中的放大特性使其成为一种卓越的器件被广
泛应用 。 它的低功耗和可压缩性使其极适用于
一直在缩小尺寸的 ULSI工艺 。
? FET 有两种基本类型：结型 （ JFET） 和金属－
氧化物型 （ MOSFET ） 半导体 。 区别在于
MOSFET作为场效应晶体管输入端的栅极由一
层薄介质 （ SiO2） 与其他两极绝缘 。 JFET的栅
极实际上同晶体管其他电极形成物理的 pn结 。
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nMOSFET
(n-channel)
Gate
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Source
Gate
Drain
Substrate
pMOSFET
(p-channel)
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
Source
Gate
Drain
Substrate
Two Types of MOSFETs
Figure 3.15
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VDD = + 3.0 V
Open gate (no charge)
Lamp
(no conduction)
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Gate
VGG = + 0.7 V
S1
Biasing Circuit for an NMOS Transistor
Figure 3.16
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NMOS Transistor in Conduction Mode
S1
IDS
VDD = + 3.0 V
Positive charge
Lamp
e-
e-
e-
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + Source Drain
p-type silicon substrate
Gate
n+ n+
Holes
VGG = + 0.7 V
Figure 3.17
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Example of Characteristics Curves
of an N-channel MOSFET
Figure 3.18
600
500
400
300
200
100
0
VGS = +5V
VGS = +4V
VGS = +3V
VGS = +2V
VGS = +1V
0 1 2 3 4 5 6
Drain-Source Voltage,VDS (volts)
Dr
ain
C
urr
ent
,I D
S
(m
a)
Saturation Region Linear Region
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VDD = -3.0 V
Open gate (no charge)
Lamp
(no conduction)
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
VGG = - 0.7 V
S1
Biasing Circuit for a P-Channel MOSFET
Figure 3.19
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IDS
VDD = - 3.0 V
Lamp
e-
e-
e-
Gate
Source Drain
- - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - -
n-type silicon substrate
Electrons
p+ p+
Negative charge VGG = - 0.7 V
S1
PMOS Transistor in Conduction Mode
Figure 3.20
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COMS技术
? 以 MOSFET为基础的 IC 制造, 多年来都集中在单
一的 n沟道 MOSFET技术为基础的产品制造和开发
上 。 尽管分立的 pMOS 晶体管在特定电子应用方面
适合很多适用的功能, 但是通常 nMOS集成电路器
件替代了 pMOS技术 。 因此, nMOS成为绝大多数
集成电路制造商的选择 。
? COMS是在同一集成电路上 nMOS和 pMOS混合 。
功耗, 设计等比缩放技术和制造工艺的改进相结合
使 CMOS技术在 20世纪 80年代就成了一种最普遍地
器件技术 。
? 等比缩放 用于描述综合尺寸和现有的 IC工作电压的
缩小过程 。 所有尺寸和电压都必须在通过设计模型
应用时统一缩小, 这些模型是 IC设计者们在电路设
计和版图设计阶段使用的 。
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S
G
Input
D
+ VDD
D
S
G
Output
pMOSFET
nMOSFET
- VSS
CMOS 反相器的电路图
Figure 3.21
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CMOS反相器
? CMOS反相器电路的功效产生于输入信号为零
的转换期 。 当输入信号为零时晶体管没有功耗
。 nMOS,TTL和 ECL电路与 CMOS的不同在于
即使是没有输入信号, 这些逻辑器件也会消耗
功耗 。 这也是现在原意在诸如计算器, 时钟,
移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品的制
造中使用 COMS集成电路技术的主要原因 。
? 简单 CMOS反相器的物理结构如下面的顶视图
和截面图所示 。
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pMOSFET nMOSFET
-VSS +VDD S D D S
G G
n-type silicon substrate
p-well
p+ p+ n+ n+
n-well
Polysilicon
Metal
Top View of CMOS Inverter
Figure 3.22
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-VSS +VDD S D D S
G G
p+ p+
p-well
n+ n+
n-type silicon substrate
n+ p+
pMOSFET nMOSFET
Field oxide
Interlayer
Oxide
Metal
Cross-section of CMOS Inverter
Figure 3.23
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BiCOMS
? BiCOMS技术就是将 CMOS和双极技术的优良
性能集中在同一集成电路器件中 。 BiCOMS综
合了 COMS结构的低功耗, 高集成度和 TTL或
ECL器件结构的高电流驱动能力 。 BiCOMS产
品的应用能在所有需要复查高功耗负载的数字
控制中 。 在这种情况下, 数 /模 （ D/A） 转换器
芯片可以用来提供用作电子机械设备的控制模
拟驱动信号 。 在测试仪器端口, 模 / 数 （ A/D）
芯片可以用于测量模拟驱动信号的输出 。 下图
表示了一个 BiCOMS芯片用于使用仪器和控制
应用的基本例子 。 BiCOMS芯片的其他应用包
括汽车电子设备, 航空航天, 机器人技术和工
业设备 。
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BiCMOS Chips used in the Control of a
Simple Heating System
mV Measured signal
CPU
Output
Input
BiCMOS
BiCMOS
DAC
ADC
Digital
side
Setpoint
Feedback
0-5 V
0-5 V
AMP
AMP
Drive signal
Analog
side
Heating
element
Process
chamber
Temperature
sensor
+ 48 VDC
Figure 3.24
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CMOS
section Bipolar section
INPUT
OUTPUT
Q1
Q2
Q3
Q4
Simple BiCMOS Inverter
Figure 3.25
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M OS F E T
T yp e
M od e S t an d b y
Cond it ion
V
GG
S wit c h in g
Re q u ir e m e n t s
P h ys ic al S t r u c t u r e
n M OS E n h a n c e m e n t Of f +
n M OS De pl e t i o n On -
pM OS E n h a n c e m e n t Of f -
pM OS De pl e t i o n On +
Comparison of Enhancement and
Depletion Mode MOSFETs
Gate
Source Drain
p-type silicon substrate
n+ n+
Source
Gate
Drain
p+ p+
n-type silicon substrate
Gate
Source Drain
n-type silicon substrate
p+ p+
p-type silicon substrate
Gate
Source Drain
n+ n+
p-type silicon substrate
Figure 3.26
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COMS器件的闩锁效应
? 与寄生电阻和寄生电容一样, CMOS器件中的
pn结也能产生寄生晶体管, 下图说明了 CMOS
反相器中的寄生晶体管 。 互补晶体管 (T1,T2)
是在 CMOS结构中 MOSFET正常制作的结果 。
? 给定某一工作条件可能开启寄生晶体管, 并且
产生低电阻电流路径流过 CMOS结构 。 晶体管
被锁定, 因而阻止了 CMOS器件中对 MOSFET
的控制 。
? 闩锁现象是一个非常复查的概念 。 了解此概念
有助于大家为阻止这种现象所采用的设计和制
作步骤 。
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T1 T2
RS
n-type substrate
VSS VDD S D D S
G G
p+ p+
p-well
n+ n+ n+ p+
pMOSFET nMOSFET
RW
Latchup in CMOS Devices
Figure 3.27
Parasitic Junction Transistors within a CMOS Structure
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阻止闩锁效应的制作技术
? 在晶体管之间制作隔离缓冲区；
? 在衬底和 CMOS结构之间设置外延层；
? 用离子注入产生倒掺杂阱。
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Integrated Circuit Products
? Linear IC Products
– Operational Amplifier
– Voltage Regulator
– Stepper Motor Driver
? Digital IC Products
– Volatile Memory
? RAM
? DRAM
? SRAM
? MPU or CPU
? Digital IC Products
(continued)
– Nonvolatile Memory
? ROM
? PROM
? EPROM
? EEPROM
? ASIC
? PLD
? PAL
? PLA
? MPGA
? FPGA
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数字集成电路产品类型
非永久性存储器
是一种 允许数据根据需要储存并改变 的半导
体器件。当电源关闭时非永久性存储器数据丢失
。此类存储器适用于电脑、计算器以及自动化、
航空宇宙、医学、军事和工业设备装置。包括,
? RAM 随机存取存储器, 是一种能 读取存储数
据或者擦除数据并用新数据重写 的器件 。 想要改
变存储在内存单元的数据不必将 RAM芯片从印刷
电路板上拔下 。 它的内容可以很容易在正常逻辑
系统运行时改变 。
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? DRAM 动态存储器, 是最普通和成本最低的
RAM。 术语, 动态, 是指存储电容器必须有规律
地使用更新电压以保留数据 。 DRAM需要更高的
电能运行电容器 。
? SRAM 静态存储器, 它是使用触发器作为存储寄
存器 。 SRAM不需要更新, 因此它比 DRAM需要
的电能低 。 数据在电源移开时同时消失 。
? MPU或 CPU 微处理单元 （ 也称中央处理单元 ）
是对单独或内部的 ROM发出指令程序的复查逻辑
集成电路 。 MPU能判定并执行数学功能 。 可用在
任何需要控制功能或者计算功能的应用中 。
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数字集成电路产品类型
固定存储器
是一种设计成 以电子电荷的形式存储数字
数据 的半导体器件 。 电荷甚至在电源关闭时也
保留在存储器中 。 可用在任何逻辑指令必须存
储以备以后读取的应用中 。 包括,
? ROM 只读存储器, 在集成电路制造过程中
数据就直接编写在里面了 。 这里也提及掩膜可
编程 ROM。 这种在制作过程中使用的掩膜装置
包含了特定 ROM的数据模式 。 ROM的制造成
本非常昂贵 。 ROM是固定存储器的最早形式 。
用户可以读取已写入 ROM的数据, 但不能改变
它的内容 。
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? PROM 可编程只读存储器 。 是一种能现场编
程而且比掩膜可编程 ROM便宜的集成电路 。 使
用工具应用大电压脉冲以使内存单元按需要改
变 。 在计算机正常工作时编入内存的数据不能
改变 。 有两种类型－－ EPROM和 EEPROM
? EPROM 可擦除只读存储器 。 可以将数据擦
除和重写 。 芯片必须从电路板上取下并用紫外
线照射进行擦除 。 然后 EPROM可重新写入 。
EPROM比其前两代产品有所进步, 然而任何
存储数据的改变都必须需要完成 PROM擦除后
接着重写 。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术
by Michael Quirk and Julian Serda
? EEPROM（ E2PROM） 可用电信号擦除并且
不需要从电路板上取下就能进行重写的 ROM。
是最方便的 ROM。 这种器件的工作原理更像随
机存储器, 因为它不用任何特殊装置就能擦除
和重写 。
? 快闪存储器 是一种能擦除和重写的固定存储
器－－ 与电信号可擦除可编程只读存储器 （
EEPROM） 类似, 只是更新速度快 。 常常用于
存储运行数据, 例如个人电脑的基本输入 / 输
出系统 （ BIOS） 。 快闪存储器可用于计算机,
数字便携式电话 。 数码相机, 嵌入控制器和其
它产品 。
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? AISC 专用集成电路, 是完全的用户定制设计
和制造以满足单个用户需要的集成电路 。 AISC
可以包括现有的逻辑电路以及用户要求的设计
特征 。 也是固有存储器 。 生产成本较高 。
? PLD 可编程逻辑器件, 是利用多种逻辑元件
组成的逻辑电路 。 实际的逻辑功能实现由用户
决定, 用户使用一些设计软件格式来确定编程
点的状态 。
? PAL 可编程阵列逻辑集成电路 。 包括一个用
于建立定制逻辑电路可编程逻辑门的网络 。
PAL有一个输入 AND（ 与 ） 门阵列驱动的输出
OR（ 或 ） 门 。 与门根据需要可现场编程, 但
输出的或门是固定的 。
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? PLA 可编程逻辑阵列 。 与 PAL的区别在于它
的输入与门和输出或门都是可编程的 。
? MPGA 掩膜可编程门阵列 。 可被定制以满足
单个用户的功能需要 。 在制造过程的初始阶段
,由特殊制造方法生产的所有门阵列产品包含
了相同数量和结构的晶体管电路 。
? FPGA 现场可编程门阵列 。 是一种最终的逻辑
产品不需要使用集成电路制造设备就能现场确
定的集成电路器件 。 FPGA内的可编程逻辑开
关能被激活从而在需要的逻辑电路之间产生连
接 。 现场定制的方便和低制造成本使 FPGA有
可能替代 MPGA。
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Chapter 3 Review
? Summary 62
? Key Terms 62
? Review Questions 63
? IC Manufacturers’ Web Sites 64
? References 65
