BJT、CMOS、DMOS等半導(dǎo)體工藝技術(shù)——初探

隨著半導(dǎo)體制程工藝不斷取得突破，行業(yè)流傳著一個(gè)被稱為“摩爾定律”的著名論斷。它是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在1965年提出的，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。這一定律不僅僅是對(duì)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)，同時(shí)也成了半導(dǎo)體制程發(fā)展的動(dòng)力——一切都是為了做出更小尺寸且性能穩(wěn)定的晶體管。從上世紀(jì)五十年代至今大約70年的時(shí)間，一共發(fā)展出了BJT、MOSFET、CMOS、DMOS以及混合型的BiCMOS和BCD等制程工藝技術(shù)。

   1. BJT    

雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管。晶體管中的電荷流動(dòng)主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動(dòng)，由于同時(shí)涉及到電子和空穴兩種載流子的流動(dòng)，因此它被稱為雙極性器件。

回溯它誕生的歷史。由于存在著用固體放大器代替真空三極管這一想法，1945年夏，Shockley提出開展半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的建議，1945年下半年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以Shockley為組長的固體物理學(xué)研究小組。在這小組里，不僅有物理學(xué)家，也有電路工程師和化學(xué)家，包括作為理論物理學(xué)家的Bardeen和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Brattain。1947年12月，一件被后世認(rèn)為是里程碑式的事件璀璨地發(fā)生了——Bardeen和Brattain成功發(fā)明了世界上第一個(gè)具有電流放大作用的鍺點(diǎn)接觸晶體管。

Bardeen和Brattain的第一個(gè)點(diǎn)接觸式晶體管

而在此后不久，Shockley于1948年發(fā)明了雙極結(jié)型晶體管。他提出了晶體管可以由兩個(gè)pn結(jié)構(gòu)成，一個(gè)正向偏置、另一個(gè)反向偏置，并于1948年6月取得了專利。在1949年他把結(jié)型晶體管工作的詳細(xì)理論發(fā)表了出來。兩年多后貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師開發(fā)出流程來實(shí)現(xiàn)結(jié)型晶體管的量產(chǎn)（1951里程碑），開啟了電子技術(shù)的新紀(jì)元。而為了表彰在晶體管發(fā)明上的貢獻(xiàn)，肖克利、巴丁和布拉頓共同獲得了1956 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

NPN雙極結(jié)型晶體管的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)于雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)，常見的BJT有NPN型和PNP型。詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。發(fā)射極對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榘l(fā)射區(qū)，該區(qū)域摻雜濃度較高；基極對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榛鶇^(qū)，該區(qū)域?qū)挾群鼙。瑩诫s濃度很低；集電極對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榧妳^(qū)，該區(qū)域面積大，摻雜濃度很低。

BJT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高響應(yīng)速度、高跨導(dǎo)(輸入電壓變化對(duì)應(yīng)輸出電流變化大)、低噪聲、高模擬精度、強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力；缺點(diǎn)是集成度低(縱向深度無法隨橫向尺寸縮小)、功耗高。

   2. MOS    

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconductor FET)，即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產(chǎn)生電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電溝道開關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，MOSFET因此又被稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。1962年由貝爾實(shí)驗(yàn)室正式宣布成功開發(fā)，這成為半導(dǎo)體發(fā)展史上最重要的里程碑之一，為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的問世直接奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

MOSFET按導(dǎo)電溝道類型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型-當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；增強(qiáng)型-對(duì)于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

MOS與三極管的主要區(qū)別包括但不限于以下幾點(diǎn)：

• 三極管多子和少子同時(shí)參與導(dǎo)電，屬于雙極型器件；而MOS僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱為單極型晶體管。

• 三極管屬于電流控制型器件，功耗比較高；而MOSFET屬于電壓控制型器件，功耗小。

• 三極管導(dǎo)通電阻大，MOS管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆。在現(xiàn)在的用電器件上，一般都用MOS管做開關(guān)來用，主要是因?yàn)橄鄬?duì)于三極管MOS的效率是比較高的。

• 成本上三極管就比較占優(yōu)勢(shì)，mos管相對(duì)價(jià)格較高。

現(xiàn)在大部分場(chǎng)景下都是用MOS管取代三極管了，只有在一些小功率或者對(duì)功耗不敏感的場(chǎng)景下，考慮到價(jià)格優(yōu)勢(shì)我們才會(huì)使用三極管。

    3. CMOS    

互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor）：CMOS技術(shù)采用了互補(bǔ)的p型和n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（MOSFET）來構(gòu)建電子器件和邏輯電路。下圖所示為常見的CMOS反相器，用于“1→0”或“0→1”的轉(zhuǎn)換。

下圖為典型的CMOS剖面圖。左邊是NMS,右邊是PMOS，兩個(gè)MOS的G極連在一起為共連柵極輸入，D極連在一起為共連漏極輸出。VDD接PMOS的源極，VSS接NMOS的源極。

1963年，仙童半導(dǎo)體公司的Wanlass和Sah發(fā)明了CMOS電路。1968年，美國無線電公司（RCA）研發(fā)出第一個(gè)CMOS集成電路產(chǎn)品，此后CMOS電路獲得了巨大的發(fā)展。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、高集成度(STI/LOCOS工藝可進(jìn)一步提升集成度)；缺點(diǎn)是存在鎖效應(yīng)(MOS管間采用PN結(jié)反偏作為隔離，受干擾易形成增強(qiáng)回路燒毀電路)。

   4. DMOS    

雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor）：與普通MOSFET器件結(jié)構(gòu)類似，也有源、漏、柵等電極，但是漏端擊穿電壓高。采用了雙擴(kuò)散工藝。

下圖展示了標(biāo)準(zhǔn)N溝道DMOS的剖面圖，這種類型的DMOS器件通常用于低側(cè)開關(guān)應(yīng)用，其中MOSFET的源極連接到地。此外還有P溝道DMOS，這種類型的DMOS器件通常用于高側(cè)開關(guān)應(yīng)用，其中MOSFET的源極連接到正電壓。類似于CMOS，互補(bǔ)DMOS器件在同一芯片上使用N溝道和P溝道MOSFET來提供互補(bǔ)的開關(guān)功能。

根據(jù)溝道的方向，DMOS可以分為兩種類型，即垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管VDMOS（Vertical Double-Diffused MOSFET）和橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET）。

VDMOS器件設(shè)計(jì)有垂直溝道，與橫向DMOS器件相比它具有更高的擊穿電壓和電流處理能力，但是導(dǎo)通電阻仍然比較大。

LDMOS器件設(shè)計(jì)有橫向溝道，是非對(duì)稱功率MOSFET器件。與垂直DMOS器件相比，它允許更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度。

與傳統(tǒng)MOSFET相比，DMOS具有更高的導(dǎo)通能力和更低的電阻，因此被廣泛應(yīng)用于高功率電子器件中，例如電源開關(guān)、電動(dòng)工具和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器等。

   5. BiCMOS    

Bipolar CMOS, 是CMOS和雙極器件同時(shí)集成在同一塊芯片上的技術(shù)，其基本思想是以CMOS器件為主要單元電路，而在要求驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載之處加入雙極器件或電路。因此BiCMOS電路既具有CMOS電路高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了BJT電路高速、強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢(shì)。

意法半導(dǎo)體的BiCMOS SiGe（硅鍺）技術(shù)將射頻、模擬和數(shù)字部分集成在單顆芯片上，能夠大幅減少外部元器件的數(shù)量，同時(shí)優(yōu)化功耗。

   6. BCD    

Bipolar-CMOS-DMOS,  這種技術(shù)能夠在同一芯片上制作雙極管Bipolar，CMOS和DMOS器件，稱為BCD工藝，1986年由意法半導(dǎo)體（ST）率先研制成功。

Bipolar適用于模擬電路 ，CMOS適用于數(shù)字和邏輯電路，DMOS適用于功率和高壓器件。BCD則結(jié)合了三者的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過持續(xù)改進(jìn)，BCD廣泛應(yīng)用于電源管理、模擬數(shù)據(jù)采集和功率執(zhí)行器等領(lǐng)域的產(chǎn)品。從ST官網(wǎng)來目前目前對(duì)于BCD來說成熟的工藝還在100nm左右，90nm尚在原型設(shè)計(jì)中，40nmBCD技術(shù)屬于其正在開發(fā)中的下一代產(chǎn)品。

來源：半導(dǎo)體材料與工藝