Bi-CMOS工藝解析

文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講解了Bi-CMOS工藝。

Bi-CMOS工藝將雙極型器件（Bipolar）與CMOS工藝結(jié)合，旨在融合兩者的優(yōu)勢(shì)。CMOS具有低功耗、高噪聲容限、高集成度的優(yōu)勢(shì)，而雙極型器件擁有大驅(qū)動(dòng)電流、高速等特性。Bi-CMOS則能通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)速度與功耗的平衡，兼具CMOS的低功耗和雙極器件的高性能，本文分述如下

Bi-CMOS概述

Bi-CMOS工藝分類

Bi-CMOS工藝詳解

Bi-CMOS的核心優(yōu)點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)：相同尺寸下，Bi-CMOS邏輯門(mén)的驅(qū)動(dòng)電流更大，驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載時(shí)速度顯著提升。

低功耗特性：與CMOS門(mén)電路靜態(tài)功耗相當(dāng)，但動(dòng)態(tài)（交流）功耗更低。

接口兼容性：可直接驅(qū)動(dòng)TTL或ECL電平接口，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

主要應(yīng)用場(chǎng)景

存儲(chǔ)器電路：如SRAM中，雙極器件構(gòu)成靈敏放大器，檢測(cè)微小電壓變化。

高速數(shù)字電路：雙極器件驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載，提升電路速度。

數(shù)模混合電路：結(jié)合CMOS的數(shù)字邏輯與雙極器件的模擬精度，適用于高精度傳感器或射頻電路。

Bi-CMOS工藝分類

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和成本需求，Bi-CMOS工藝分為三類：

低成本、中速數(shù)字Bi-CMOS

工藝特點(diǎn)：基于標(biāo)準(zhǔn)N阱CMOS工藝，增加一塊掩膜版形成雙極晶體管的P型基極，N阱作為集電極。

結(jié)構(gòu)：發(fā)射極由NMOS源漏注入完成，采用LOCOS隔離。

缺點(diǎn)：集電極串聯(lián)電阻（Rc）較大（約2kΩ），限制強(qiáng)電流下的性能。

高成本、高性能數(shù)字Bi-CMOS

工藝特點(diǎn)：確保CMOS和雙極器件性能均達(dá)到單獨(dú)工藝水平，需額外增加3~4塊掩膜版。

實(shí)現(xiàn)方式：

修正P阱工藝：優(yōu)化阱結(jié)構(gòu)以提升雙極器件性能。

修正雙阱工藝：通過(guò)深阱隔離技術(shù)減少寄生效應(yīng)，提高集成度。

數(shù)模混合Bi-CMOS

數(shù)?；旌螧i-CMOS工藝與數(shù)字Bi-CMOS的核心區(qū)別在于其需適應(yīng)寬范圍工作電壓（尤其是高壓場(chǎng)景），這對(duì)器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)提出了特殊要求。

特點(diǎn)：工作電壓范圍寬（模擬部分需高壓），復(fù)雜工藝通常由雙極工藝衍生而來(lái)。

關(guān)鍵器件：PNP晶體管、精密電阻/電容，用于模擬電路的低噪聲和匹配特性。

以下從工藝分類、關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量及典型工藝步驟展開(kāi)分析：

數(shù)?；旌螧i-CMOS工藝根據(jù)電壓和功率需求分為兩類：

中壓工藝（10~30V）：基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS流程優(yōu)化，需平衡高電壓耐受與器件性能。例如，加厚柵氧以提升柵壓承受能力，但會(huì)犧牲部分驅(qū)動(dòng)電流。

大功率工藝（>30V且>1A）：采用功率模擬工藝，需強(qiáng)化器件的電流承載能力和散熱設(shè)計(jì)，常用于電源管理或電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)景。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量——高壓耐受性

柵氧加厚：防止高柵壓下氧化層擊穿，但導(dǎo)致MOS管飽和電流降低，需通過(guò)工藝調(diào)整（如優(yōu)化溝道摻雜）補(bǔ)償性能損失。

隔離結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用擴(kuò)散隔離（如CDI）或深溝槽隔離，避免高壓下寄生器件開(kāi)啟。

模擬器件精度

多晶硅電阻：溫度系數(shù)優(yōu)于擴(kuò)散電阻，適用于高精度模擬電路

PIP電容：多晶硅-絕緣層-多晶硅結(jié)構(gòu)（Poly-Insulator-Poly）寄生效應(yīng)小，適合開(kāi)關(guān)電容電路和A/D轉(zhuǎn)換器。

寄生效應(yīng)抑制

防寄生場(chǎng)效應(yīng)管注入：通過(guò)離子注入調(diào)整寄生管閾值電壓，避免高壓下意外導(dǎo)通。

技術(shù)挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向

集電極電阻問(wèn)題：低成本工藝中Rc過(guò)大，需通過(guò)優(yōu)化摻雜或結(jié)構(gòu)改進(jìn)（如埋層集電極）降低電阻。

工藝復(fù)雜度：高性能和數(shù)?；旌瞎に囆杵胶庋谀げ襟E增加帶來(lái)的成本與設(shè)計(jì)靈活性。

功耗與速度權(quán)衡：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整雙極器件比例，例如在關(guān)鍵路徑插入雙極器件以提升速度，其余部分保持CMOS低功耗。

Bi-CMOS工藝詳解

P阱與雙阱工藝對(duì)比

P阱Bi-CMOS工藝（SBC工藝）

工藝特點(diǎn)

材料結(jié)構(gòu)：采用P型襯底+N型外延層，通過(guò)重?fù)诫s的N+埋層形成雙極晶體管的集電極

核心優(yōu)勢(shì)

低集電極電阻（Rc）：N+埋層顯著降低Rc，提升電流驅(qū)動(dòng)能力。

抗閂鎖能力增強(qiáng)：N型外延層替代P型外延，降低寄生PNPN路徑的增益。

閂鎖敏感性降低：埋層結(jié)構(gòu)減少襯底耦合效應(yīng)。

隔離方式：P阱提供雙極結(jié)隔離，防止相鄰集電極間的干擾。

掩膜增加：需額外3塊掩膜版（N+埋層、深N+集電極、P基極區(qū)）。

應(yīng)用場(chǎng)景：適用于對(duì)集成度要求適中、需平衡成本與性能的Bi-CMOS電路。

雙阱Bi-CMOS工藝（高性能工藝）

工藝改進(jìn)

自校準(zhǔn)埋層：引入埋入P層

使相鄰集電極間距縮小至亞微米級(jí)，提升集成度。

外延層優(yōu)化：采用近本征（低摻雜）外延層，靈活調(diào)整摻雜濃度以滿足雙極與PMOS器件需求。

多晶硅發(fā)射

性能提升：淺發(fā)射極+窄基區(qū)寬度提高截止頻率。

工藝簡(jiǎn)化：同一多晶硅層兼作CMOS柵極與雙極發(fā)射極，減少額外步驟。

掩膜增加：需4塊額外掩膜版（埋入N+、深N+擴(kuò)散、P基極、多晶硅發(fā)射極）。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

高密度集成：緊湊的集電極布局支持復(fù)雜電路設(shè)計(jì)。

靈活性：獨(dú)立優(yōu)化P阱與N阱摻雜，適配不同器件需求。

電壓兼容性：支持3.3V/5V電路，適用于高性能混合信號(hào)系統(tǒng)。

雙阱Bi-CMOS工藝步驟詳解

初始材料：P型輕摻雜100晶向硅片。

埋層形成

N埋層：光刻定義區(qū)域，銻注入后退火，形成N+埋層

自對(duì)準(zhǔn)P埋層：硼注入時(shí)，厚氧化層阻擋N埋層區(qū)域，形成P埋層

外延生長(zhǎng)：沉積外延層，摻雜濃度由器件需求決定。

阱工藝

N阱：磷注入并推阱，厚氧化層阻擋后續(xù)硼注入。

P阱：利用N阱氧化層阻擋，硼注入形成P阱

有源區(qū)與隔離

LOCOS隔離：多晶硅緩沖層提高集成度

雙極器件制作

N+集電極：磷注入并擴(kuò)散至埋層N

P基極：硼注入形成基區(qū)。

多晶硅發(fā)射極

雙層多晶硅：第一層定義發(fā)射極窗口，第二層形成發(fā)射極接觸

后續(xù)工藝：與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，完成金屬互聯(lián)等步驟。