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1、集成電路常用器件介紹一、CMOS工藝下器件：CMOS工藝可分為P阱CMOS、N阱CMOS和雙阱CMOS。以NWELL工藝為例說明CMOS中常用有源及無源器件的器件結(jié)構(gòu)、工作原理、特性參數(shù)等。建議在此之前先了解CMOS的基本工藝。1.1有源器件1.MOS管采用N阱工藝制作的PMOS與NMOS結(jié)構(gòu)示意圖如圖（1.1-1），在襯底為輕摻雜P-的材料上，擴(kuò)散兩個重?fù)诫s的N+區(qū)就構(gòu)成了N溝器件，兩個N+區(qū)即源漏，中間為溝道。中間區(qū)域的表面上有以薄層介質(zhì)材料二氧化硅將柵極（多晶硅）與硅隔離開。同樣，P溝器件是在襯底為輕摻雜的N-的材料（即N阱或NWELL）上，擴(kuò)散兩個重?fù)诫s的P+區(qū)形成的。圖（1.1
2、-1）圖中的B端是指襯底，采用N阱工藝時，N阱接最高電位VDD，Psub接VSS。通常將PMOS、NMOS的源極與襯底接在一起使用。這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是二氧化硅絕緣層，形成電容。當(dāng)柵源電壓變化時，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。以N溝器件為例說明MOS管的工作原理：（1）N溝增強(qiáng)型MOS管：當(dāng)柵源之間不加電壓時，漏源之間是兩只背靠背的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，因此即使漏源之間加電壓，也不會有漏極電流。當(dāng)uDS=0,且uGS>0時，由于二氧化硅的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近二氧化硅一側(cè)的空穴，使之留下不
3、能移動的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。當(dāng)uGS增大，一方面耗盡層加寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層于絕緣層之間，形成一個N型薄層，稱為反型層，如圖（1.1-2）。這個反型層即源漏之間的導(dǎo)電溝道。指溝道剛剛形成的柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。uGS越大反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。圖（1.1-2）當(dāng)uGS是大于UGS(th)的一個確定值時，若在漏源之間加正向電壓，則產(chǎn)生一定的漏極電流。此時，uDS的變化對導(dǎo)電溝道的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似，即當(dāng)uDS較小時，uDS的增大使漏極電流線性增大，溝道沿源漏方向逐漸變窄，一旦uDS增大到使uGD=UGS(th)[即uDS＝UGS-UGS(th)
4、]時，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱為預(yù)夾斷，如圖(1.1-3)所示。如果uDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長。而且uDS的增大大部分幾乎用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力。從外部看，漏極電流幾乎不因uDS的增大而變化，管子進(jìn)入恒流區(qū)，漏極電流幾乎僅決定于uGS。（但還會呈一定斜率緩慢增加，是溝道調(diào)制效應(yīng)引起的，即有效溝道長度變短。）圖（1.1-3）（2）N溝耗盡型MOS管：如果在制造MOS管時，在二氧化硅絕緣層中摻入大量正離子（或者在襯底溝道區(qū)注入與襯底相反類型的離子），那么即使uGS＝0，在正離子的作用下P型襯底表面也存在反型層，即漏源之間存在導(dǎo)電溝道，只要在源漏之間加正向電壓，就會產(chǎn)生漏極電流
5、。且uGS為正時，反型層加寬，漏極電流加大，反之漏極電流減小。當(dāng)uGS從零減小到一uj定值時，反型層消失，漏極電流為零。此時的uGS稱為夾斷電壓uGS（off）。如圖（1.1-4）圖（1.1-4）N耗盡管2.三極管（VPNP、LPNP、VNPN）CMOS工藝下可以做雙極晶體管，但是集電極要受到限制（必須接至VDD或VSS），以N阱工藝為例說明其VPNP,VNPN如何形成。如圖（1.1-6），VPNP即襯底PNP的發(fā)射極是與源漏擴(kuò)散同時形成的，基極是與阱同時形成的，P-襯底是集電極，P-襯底接最負(fù)電位，所以基極與集電極形成反向PN結(jié)。其晶體管的作用發(fā)生在縱向，所以也叫縱向PNP。因基區(qū)是阱
6、，所以基區(qū)電阻較大。在基本N阱CMOS工藝的基礎(chǔ)上再加一道工序，即在源漏擴(kuò)散前加一摻雜的P型擴(kuò)散層BP，就可以制作縱向NPN管，即VNPN。如圖（1.1-7）。而CMOS工藝下的LPNP存在兩個寄生PNP管，通常短接兩端應(yīng)用于ESD保護(hù)。如圖（1.1-8）。圖（1.1-6）圖（1.1-7）圖（1.1-8）左邊為版圖，右邊為其剖面圖3.二極管（psub-nwell、sp-nwell）CMOSN阱工藝中二極管結(jié)構(gòu)有兩種，一是psub-nwell，另一個是sp-nwell，其中SP即P＋重?fù)诫s，在源漏擴(kuò)散時形成。SP/NWELL二極管存在寄生PNP三極管和較大的串聯(lián)電阻。1.2無源器件1.CA
7、PCMOS工藝中除了，MOS電容外，可與之兼容的還有BN電容和雙POLY電容。下面分別介紹其結(jié)構(gòu)和特性。（1）MOS電容也叫感應(yīng)溝道的單層多晶硅MOS電容器，此電容器結(jié)構(gòu)如圖（1.2-1），它是以柵氧化層作為介質(zhì)，多晶硅為上極板，襯底為下極板。圖（1.2-1）（2）BN電容這是一種以多晶硅作為上極板，柵氧化層為介質(zhì)，BN層為下極板的電容器。其中BN層是與源漏摻雜差不多的一種重?fù)诫s。從工藝來看，源漏的擴(kuò)散是在多晶硅淀積和定域之后做的，
