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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。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、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。Vds<VpSourceDra inGa teDepletion regions114源极(SOUrCe)栅极Al(Gate)漏极(Drain)MOS管结构以P型半导体作衬底两边扩散两个高浓度的N区形成两个PN结Bipolar工艺的优势与其他半导体制造技术相比，Bipolar工艺有多个优势。首先，由于NPN或PNP晶体管中的电子和空穴可以同时流动，它们的速度可以更快，从而实现更高性能的器件。其次，这种工艺也具有更高的噪声容限和线性范围。最后，由于BiPOlar晶体管具有极高的可靠性，它们常常被用于高温、高辐射和高压的环境中。BiPolar工艺的制造流程Bipolar工艺的制造流程通常包括以下步骤：1 .硅片清洗：清洗晶片以去除灰尘、杂质和其他有害物质。2 .扩散:在晶片上涂上材料并通过热处理，以将材料中的杂质扩散到晶片中。3 .沉积：将溶液或气体加热并通过热处理，在晶片表面沉积一层薄膜。4 .光刻：涂上光敏胶，然后在光源下进行曝光，以形成所需图案。5 .蚀刻：将未覆盖光敏胶的晶片部分通过化学腐蚀去除，以形成所需结构。6 .金属化：在晶片上涂上金属，以制造电极或其他连接器件。7 .包封：用环氧树脂或硅胶等材料将晶片密封，以保护器件。Bipolar工艺的应用BiPOlar工艺主要用于制造高性能和高可靠性的半导体元器件,包括晶体管、场效应管、集成电路和光电器件等。在电子、通信、医疗和能源等领域都有广泛的应用。【功率元器件的基本结构与特点】2.CM0S工艺概述CMOS是COmPIementaryMetalC）XideSemieondUetOr（互补金属氧化物半导体）的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。MOS（metaloxideSelniCondUCtor金属氧化物半导体），按制程可以分为： PlnoS:在MOS制程技术中是最简单，所以被应用的最是利用空穴来导电，速度较慢。 NlnoS:利用电子来做传导的工作，因为电子的漂移速度约为空穴的二至三倍，因此在相同的条件下，11MOS制程的电路可以工作得比PMOS快。 Cmos:同时包含了nMOS和pMOS,因此制程技术变得较为复杂。通常在CMoS电路中成对的包含11MOS和PMOS晶体管，在稳态时只仃一组晶体管能够导通，所以可以说没有静态功率消耗（StatICPFGS羚张前最省功率的一种电路，现今流行的技术之一。PMOS：是通过扩散或离子注入在N阱中掺入3价离子（如硼B铝Al）制作出PW区,分别叫源极和漏极，同时在源漏之间的氧化层上制作个金属电极，或向晶蟋麻的多晶硅）一一栅极，这样就得到个PMOS管。NMOS的基本结构图：NM0S：是通过扩散、离孑注入等方法在P型衬底上掺入5价离子（如磷P、NAs）制作出两个N型区,分别叫源极和漏极,同时在源漏之间的5化扁并樊裕产个金属电极（或名是导电的多晶硅）-栅极，这样就得到一个NM0舍JqNMoS基本工艺流程场氢光刻场氧化班化层生长氮化硅淀 积，光刻胶涂抹畸原子注入棚制作橱轲的形成和多 晶硅的淀积n>os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I960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*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-wel'weHdeep 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