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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