双极型微电子技术简介

文章摘要：双极型制造工艺是早期集成电路产品所应用的唯一工艺。随着微电子工艺的发展，双极型工艺逐渐被MOS工艺所代替。在20世纪70年代，CMOS工艺逐渐成为主流微电子制造工艺。在过去的30多年中，CMOS工艺有了很大的发展，但是双极型工艺始终没有较大的进步。由于双极型工艺过程复杂、成本高、集成度低，在现代的超大规模集成电路中己经很少单独使用。但是，双极型工艺速度快、较大的电流驱动能力等特点是CMOS工艺所达不到的。在某些情况下，作为CMOS工艺的补充，双极型工艺仍然被少量地使用。双极型三极管是双极型工艺的典型器件。双极型三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个pn结组合而成，是一种电流控制电流

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　　双极型制造工艺是早期集成电路产品所应用的唯一工艺。随着微电子工艺的发展，双极型工艺逐渐被MOS工艺所代替。在20世纪70年代，CMOS工艺逐渐成为主流微电子制造工艺。在过去的30多年中，CMOS工艺有了很大的发展，但是双极型工艺始终没有较大的进步。由于双极型工艺过程复杂、成本高、集成度低，在现代的超大规模集成电路中己经很少单独使用。但是，双极型工艺速度快、较大的电流驱动能力等特点是CMOS工艺所达不到的。在某些情况下，作为CMOS工艺的补充，双极型工艺仍然被少量地使用。

　　双极型三极管是双极型工艺的典型器件。双极型三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个pn结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。根据三极管三极掺杂杂质不同，双极型三极管可以分为NPN型三极管和PNP型三极管，如图1所示。以NPN型三极管为例，集电极电流和基极电流流入三极管，发射极电流流出三极管，流进的电流等于流出的电流。发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，而集电结面积较大，是保证三极管能够实现电流放大的关键。

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　　图1 NPN与PNP双极型三极管电路图与结构示意图

　　双极型制造工艺可以粗略地分为两类：一类在元器件间需要做电隔离；另一类在元器件间不需要做电隔离，而只需自然隔离。大部分双极型工艺都采用第一种做法，在元器件间做电隔离。电隔离的方法有很多，如pn结隔离、全介质隔离及pn结－介质混合隔离。在早期的标准双极型工艺中，都是采用pn结来隔离各个三极管间的集电极。采用pn结隔离分为三种结构：（1）标准下埋集电极三极管（SBC），（2）集电极扩散隔离三极管（CDI），（3）三重扩散三极管（3D）。

　　如图2（a）所示，在SBC工艺中，集电极区域由一个重掺杂n＋埋层和一个轻掺杂n型外延层构成。集电极间的隔离由与衬底相连的p型扩散区来实现。基极和发射极区域在隔离层结构制作以后通过扩散得到。图2（b）展示的是CDI工艺，整个器件区域由一个n＋环包围，这个n＋环与下埋n＋层相连，这样三极管就被由集电极和衬底构成的pn结与外界隔离开来。3D工艺如图2（c）所示，集电极、发射极、基极均是由注入工艺实现的。pn结隔离通常使得晶体管的尺寸较大，因此使得双极型工艺不适合在现代的超大规模集成电路中应用。

　　图2 3种pn结隔离工艺截面图

　　典型的pn结隔离的双极型工艺流程复杂，总的工序一般有40多道。这里以标准下埋集电极（SBC）工艺的主要的工艺流程为例进行介绍，如图3所示。

　　图3 SBC双极型工艺主要流程