双极型积体电路( 二 )

    双极型积体电路中各元件之间需要进行电隔离 。积体电路的製造,先是把硅片划分成一定数目的相互隔离的隔离区;然后在各隔离区内製作电晶体和电阻等元件 。在常规工艺中大多採用PN结隔离,即用反向PN结达到元件之间相互绝缘的目的 。除PN结隔离以外,有时也採用介质隔离或两者混合隔离法(见隔离技术) 。
    双极型积体电路中需要增添隐埋层 。通常,双极型积体电路中电晶体的集电极,必须从底层向上引出连线点,因而增加了集电极串连电阻,这不利于电路性能 。为了减小集电极串连电阻,製作电晶体时在集电极下边先扩散一层隐埋层,为集电极提供电流低阻通道和减小集电极的串联电阻 。隐埋层,简称埋层,是隐埋在硅片体内的高掺杂低电阻区 。埋层在製作积体电路之前预先“埋置”在晶片体内 。其工艺过程是:在 P型硅片上,在预计製作集电极的正下方某一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即N+区;而后在其上再外延生长一层N型硅单晶层 。于是,N型外延层将N+区隐埋在下面,再在这一外延层上製作电晶体 。
    双极型积体电路通常採用扩散电阻 。电路中按电阻阻值大小选择製备电阻的工艺,大多数是利用电晶体基区P型扩散的同时,製作每方约 150~200欧·厘米的P型扩散电阻 。但是,扩散电阻存在阻值误差大、温度係数高和有寄生效应等缺点 。除採用扩散电阻外,有时也採用硅单晶体电阻 。
    双极型积体电路元件间需要互连线,通常为金属铝薄层互连线 。单层互连布线时难以避免交叉的位置,必要时可採用浓磷扩散低阻区,简称磷桥连线法 。
    双极型积体电路存在寄生效应 。双极型积体电路的纵向NPN电晶体,比分立电晶体多一个P型衬底层和一个PN结 。它是三结四层结构 。增加的衬底层是所有元件的公共衬底,增加的一个PN结是隔离结(包括衬底结) 。双极型积体电路因是三结四层结构而会产生特有的寄生效应:无源寄生效应、扩散电阻的寄生电容和有源寄生效应 。隔离电容是集电极N型区与隔离槽或衬底P型区形成的PN结产生的电容 。隔离和衬底接最低电位,所以这个电容就是集电极对地的寄生电容 。扩散电阻的寄生电容是扩散电阻P型区与集电极外延层N型区产生的PN结电容,也属无源寄生效应 。这一PN结电容总是处于反偏置工作状态 。有源寄生效应即 PNP寄生电晶体 。在电路中,NPN电晶体的基区、集电区(外延层)和衬底构成PNP寄生电晶体 。在通常情况下,因PN结隔离,外延层和衬底之间总是反向偏置 。只有当电路工作时,NPN管的集电结正偏,寄生PNP管才进入有源区 。
工艺製备右图是利用PN结隔离技术製备双极型积体电路倒相器的工艺流程,图中包括一个NPN电晶体和一个负载电阻R 。原始材料是直径为75~150毫米掺P型杂质的硅单晶棒,电阻率ρ=10欧·厘米左右 。其工艺流程是:先经过切片、研磨和抛光等工艺(是硅片製备工艺)製备成厚度约300~500微米的圆形硅片作为衬底,然后进行外延生长、氧化、光刻、扩散、蒸发、压焊和多次硅片清洗,最后进行表面钝化和成品封装 。
双极型积体电路

文章插图
双极型积体电路製作双极型积体电路晶片需要经过 5次氧化,对氧化硅 (SiO2)薄层进行5次光刻,刻蚀出供扩散掺杂用的图形视窗 。最后还经过两次光刻,刻蚀出金属铝互连布线和钝化后用于压焊点的视窗 。因此,整套双极型积体电路掩模版共有 7块 。即使通常省去钝化工艺,也需要进行6次光刻,需要6块掩模版 。版图设计按照线路要求和工艺条件设计元件的图形和尺寸,并进行布局和布线,同时设计出一套光刻掩模版图形 。