半导体制造工艺之BiCMOS技术

目前为止，在日常生活中使用的每一个电气和电子设备中，都是由利用半导体器件制造工艺制造的集成电路组成。电子电路是在由纯半导体材料(例如硅和其他半导体化合物)组成的晶片上创建的，其中包括光刻和化学工艺的多个步骤。

半导体制造过程于1960 年代初期从美国德克萨斯州开始，然后扩展到世界各地。如今半导体制造工艺多种多样，已经在电子电路中扮演着无可撼动的地位。本文主要介绍其中的一种制造工艺——BiCMOS技术。

关于BiCMOS技术

BiCMOS是主要的半导体技术之一，也是一项高度发达的技术，在1990年代将两种独立的技术(双极结型晶体管和CMOS晶体管)集成在一个现代集成电路中，当今在电子电路中已经被广泛的运用。

如上图所示，它是第一款模拟/数字接收器IC，是一款具有非常高灵敏度的BiCMOS集成接收器。

关于CMOS技术

CMOS技术是作为MOS技术或CSG(Commodore Semiconductor Group)的补充，其实CSG最初是作为制造电子计算器的来源。后来，称为CMOS的互补MOS技术被用于开发集成电路，如数字逻辑电路以及微控制器和微处理器。CMOS技术具有低功耗和低噪声容限以及高封装密度的优势。

上图显示了CMOS技术在制造数控开关器件中的应用。

关于BJT双极晶体管技术

BJT双极晶体管是集成电路的一部分，它们的操作基于两种类型的半导体材料或取决于两种类型的电荷载流子空穴和电子。这些通常分为PNP和NPN两种类型，根据其三个端子的掺杂及其极性进行分类，它提供了高开关以及具有良好噪声性能的输入/输出速度。

该图显示了双极晶技术在RISC处理器AM2901CPC中的应用。

BiCMOS制造工艺流程

BiCMOS的制造结合了BJT和CMOS的制造工艺，但只是形式上面的变种。下面简单介绍下BiCMOS的制造工艺流程。

1、如下图所示选P-Substrate(基板)：

2、在P-substrate上覆盖氧化层：

3、在氧化层上做一个小开口，如下图所示：

4、通过开口重掺杂N型杂质：

5、P-外延层在整个表面上覆盖：

6、接下来，整个表面层再次被氧化层覆盖，并通过该氧化层制作两个开口：

7、从穿过氧化层的开口中扩散N型杂质，形成N阱：

8、在氧化层上打三个开孔，形成三个有源器件：

9、用Thinox和Polysilicon覆盖并图案化整个表面，形成NMOS和PMOS的栅极端子：

10、加入P-杂质，形成BJT的基极端子，类似地，N型杂质被重掺杂以形成BJT的发射极端子、NMOS的源极和漏极，并且为了接触目的，N型掺杂到N阱集电极中：

11、形成PMOS的源漏区，并在P基区进行接触，重掺杂P型杂质：

12、接下来整个表面被厚厚的氧化层覆盖：

13、通过厚氧化层对切口进行图案化以形成金属触点：

14、通过氧化层上的切口制作金属触点，端子命名如下图所示：

以上就是BICMOS的制造工艺流程，不难看出，它结合了NMOS、PMOS和BJT。在制造过程中使用了一些层，例如沟道停止注入、厚层氧化和保护环。

从理论上讲，要同时包含CMOS和双极晶技术，制造过程是困难的。因为在处理P阱和N阱CMOS时，无意中产生寄生双极晶体管是比较棘手的问题。另外，对于BiCMOS的制造，增加了许多额外的步骤来微调双极和CMOS组件，所以总制造成本也增加了。

如上图所示，通过注入或扩散或其他方法在半导体器件中注入沟道截断层，以限制沟道面积的扩展或避免寄生沟道的形成。而且高阻抗节点(如果有的话)可能会导致表面泄漏电流，为了避免电流在限制电流流动的地方流动，使用了一些保护环。

BICMOS技术主要优势

通过使用高阻抗CMOS电路作为输入来促进和改进模拟放大器的设计，其余的则通过使用双极晶体管来实现。

BiCMOS本质上对温度和工艺变化有很大的影响，提供了良好的经济考虑(主要单元的百分比高)，而电气参数的变化较小。

BiCMOS器件可根据要求提供高负载电流吸收和输出。

由于它是一组双极和CMOS技术，如果速度是关键参数，则可以使用BJT，如果功率是关键参数，那么可以使用MOS，它可以驱动高电容负载并缩短周期时间。

它比单独的双极技术具有低功耗。

该技术在模拟电源管理电路和放大器电路(如BiCMOS放大器)中得到了广泛应用。

非常适合输入/输出密集型应用，提供灵活的输入/输出(TTL、CMOS和ECL)。

与单独的CMOS技术相比，它具有提高速度性能的优势。

具有双向能力(源极和漏极可以根据需要互换)。

BICMOS技术主要缺点

该技术的制造过程由CMOS和双极技术组成，增加了复杂性。

由于制造过程的复杂性增加，制造成本也增加。

因为有更多的器件，所以光刻更少。

BICMOS技术主要应用

可以被分析为高密度和高速度的函数。

该技术被用作当前市场上双极、ECL和CMOS替代技术。

在某些应用中(功率预算有限)，BiCMOS速度性能优于双极。

非常适合密集型输入/输出应用。

BiCMOS的应用最初是在RISC微处理器中，而不是传统的CISC微处理器。

该技术在应用方面表现出色，主要在微处理器的两个领域，例如内存和输入/输出。

在模拟和数字系统中有许多应用，从而使单芯片跨越了模拟-数字边界。

可用于采样和保持应用，因为它提供高阻抗输入。

用于加法器、混频器、ADC和DAC等应用。

为了克服双极和CMOS运算放大器的局限性， BiCMOS 工艺用于设计运算放大器。在运算放大器中，需要高增益和高频特性。通过使用这些 BiCMOS放大器，可以获得所有这些所需的特性。

总结

BiCMOS是一种复杂的处理技术，将NMOS和PMOS技术相互融合，具有极低功耗的双极技术和比CMOS技术高的速度。此外，MOSFET提供高输入阻抗逻辑门，双极晶体管提供高电流增益。