P阱CMOS芯片制作工艺设计

1、22微电子技术综合实践设计报告题目： P阱CMOS芯片制作工艺设计 院系： 自动化学院 专业班级： 微电101 学生学号： 3100431112 学生姓名： 指导教师姓名： 职称： 起止时间： 2013年6月27日7月8日 成绩： 目 录一、设计要求 31、设计任务 32、特性指标要求 33、结构参数参考值 34、设计内容 3二、MOS管的器件特性设计 31、NMOS管参数设计与计算 32、PMOS管参数设计与计算 4三、工艺流程设计 51、衬底制备 52、初始氧化 63、阱区光刻 64、P阱注入 65、剥离阱区的氧化层 66、热生长二氧化硅缓冲层 67、LPCVD制备Si3N4介质 68、有

2、源区光刻：即第二次光刻 7 9、N沟MOS管场区光刻 710、N沟MOS管场区P+注入 711、局部氧化 812、剥离Si3N4层及SiO2缓冲层 813、热氧化生长栅氧化层 814、P沟MOS管沟道区光刻 815、P沟MOS管沟道区注入 816、生长多晶硅 817、刻蚀多晶硅栅 818、涂覆光刻胶 919、刻蚀P沟MOS管区域的胶膜 920、注入参杂P沟MOS管区域 921、涂覆光刻胶 922、刻蚀N沟MOS管区域的胶膜 923、注入参杂N沟MOS管区域 924、生长PSG 925、引线孔光刻 1026、真空蒸铝 1027、铝电极反刻 10四、P阱光刻版 111.氧化生长 112.曝光 12

3、3.氧化层刻蚀 124.P阱注入 135.形成P阱 136.氮化硅的刻蚀 147.场氧的生长 148.去除氮化硅 159.栅氧的生长 1610.生长多晶硅 1611.刻蚀多晶硅 1712.N离子注入 1713.P+离子注入 1714.生长磷化硅玻璃PSG 1815.光刻接触孔 1816.刻铝 1917.钝化保护层淀积 20五、工艺实施方案 20六、心得体会 22七、参考资料 23一设计要求：1、设计任务：N阱CMOS芯片制作工艺设计2、特性指标要求n沟多晶硅栅MOSFET：阈值电压VTn=0.5V, 漏极饱和电流IDsat1mA, 漏源饱和电压VDsat3V，漏源击穿电压BVDS=35V, 栅

4、源击穿电压BVGS25V, 跨导gm2mS, 截止频率fmax3GHz（迁移率µn=600cm2/V·s）p沟多晶硅栅MOSFET：阈值电压VTp= -1V, 漏极饱和电流IDsat1mA, 漏源饱和电压VDsat3V，漏源击穿电压BVDS=35V, 栅源击穿电压BVGS25V, 跨导gm0.5mS, 截止频率fmax1GHz（迁移率µp=220cm2/V·s） 3、结构参数参考值：N型硅衬底的电阻率为20；垫氧化层厚度约为600 Å；氮化硅膜厚约为1000 Å；P阱掺杂后的方块电阻为3300W/ð，结深为56； NMOS管

5、的源、漏区磷掺杂后的方块电阻为25W/ð，结深为1.01.2；PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25W/ð，结深为1.01.2；场氧化层厚度为1；栅氧化层厚度为500 Å；多晶硅栅厚度为4000 5000 Å。4、设计内容 1、MOS管的器件特性参数设计计算； 2、确定p阱CMOS芯片的工艺流程，画出每步对应的剖面图；3、分析光刻工艺，画出整套光刻版示意图；4、 给出n阱CMOS芯片制作的工艺实施方案（包括工艺流程、方法、条件、结果）二MOS管的器件特性设计1、NMOS管参数设计与计算： 由得Å ,则得再由，式中（VGS-VT）VDS(s

6、at)，得阈值电压 取发现当时符合要求,又得2、PMOS管参数设计与计算： 因为,其中，6×， 所以Å饱和电流：，式中（VGS-VT）VDS(sat)，IDsat1mA 故可得宽长比：由可得宽长比：取nmos衬底浓度为查出功函数差与掺杂浓度的关系可知： 符合要求又可知 故取 三 .工艺流程分析1、衬底制备。由于NMOS管是直接在衬底上形成，所以为防止表面反型，掺杂浓度一般高于阈值电压所要求的浓度值，其后还要通过硼离子注入来调节。CMOS器件对界面电荷特别敏感，衬底与二氧化硅的界面态应尽可能低，因此选择晶向为<100>的P型硅做衬底，电阻率约为20CM。 2、初始

7、氧化。SiO2 电路的制造工艺流程序列的第一次氧化。 衬底N-Si 3、阱区光刻。 是该款P阱硅栅CMOS集成电路制造工艺流程序列的第一次光刻。若采用典型的常规湿法光刻工艺，应该包括：涂胶，前烘，压板，曝光，显影，定影，坚膜，腐蚀。去胶等诸工序。SiO2 N-Si4、P阱注入。 是该P阱硅栅COMS集成电路制造工艺流程序列中的第一次注入参杂。P阱注入工艺环节的工艺要求是形成P阱区。 N-subP-well5、剥离阱区氧化层。6、热生长二氧化硅缓冲层： 消除Si-Si3N4界面间的应力，第二次氧化。7、LPCVD制备Si3N4介质。综合5.6.7三个步骤如下图N-subP-wellSi3N4薄氧

8、8、有源区光刻：即第二次光刻N-SiP-wellSi3N49、N沟MOS管场区光刻。 即第三次光刻，以光刻胶作为掩蔽层，刻蚀出N沟MOS管的场区注入窗口。10、N沟MOS管场区P+注入： 第二次注入。N沟MOS管场区P+的注入首要目的是增强阱区上沿位置处的隔离效果。同时，场区注入还具有以下附加作用：A 场区的重掺杂注入客观上阻断了场区寄生mos管的工作B 重掺杂场区是横向寄生期间失效而一直了闩锁效应：C 场区重掺杂将是局部的阱区电极接触表面的金半接触特性有所改善。综合9，10两个步骤如图 光刻胶N-SiP-B+11、局部氧化： 。12、剥离Si3N4层及SiO2缓冲层。综合11，,12两个步骤

9、如图 N-SiP-13、热氧化生长栅氧化层：第四次氧化。14、P沟MOS管沟道区光刻：第四次光刻-以光刻胶做掩蔽层。15、P沟MOS管沟道区注入：第四次注入，该过程要求调解P沟MOS管的开启电压。综合13,14,15三个步骤如图N-SiP-B+16、生长多晶硅。17、刻蚀多晶硅栅：第五次光刻，形成N沟MOS管和P沟MOS管的多晶硅栅欧姆接触层及电路中所需要的多晶硅电阻区。综合16,17两个步骤如图 18、涂覆光刻胶。19、刻蚀P沟MOS管区域的胶膜：第六次光刻20、注入参杂P沟MOS管区域：第五次注入，形成CMOS管的源区和漏区。同时，此过程所进行的P+注入也可实现电路所设置的P+保护环。综合

10、18.19.20三个步骤如图21、涂覆光刻胶。22、刻蚀N沟MOS管区域的胶膜：第七次光刻23、注入参杂N沟MOS管区域：第六次注入，形成N沟MOS管的源区和漏区。同时，此过程所进行的N+注入也实现了电路所设置的N+保护环。24、生长磷硅玻璃PSG。综合21.22.23.24四个步骤如图光刻胶N-SiP-AsPSGN-SiP+P-P+N+N+25、引线孔光刻：第八次光刻，如图26、真空蒸铝。27、铝电极反刻：第九次光刻综合26.27两个步骤如图PSGN-SiP+P-P+N+N+VDDINOUTPNSDDSAl至此典型的P阱硅栅CMOS反相器单元的管芯制造工艺流程就完场了。4 P阱光刻板 计算过

11、程；P沟： N沟： 对于掩模板 实际取值应稍大于所以故最终 1.氧化生长2.曝光3.氧化层刻蚀4.P阱注入5.形成P阱6. 氮化硅的刻蚀 计算过程；P阱有源区应与P阱相同取为9 故 取287.场氧的生长8. 去除氮化硅计算过程；应略大于沟道长度故取为2.5 宽应与掩模板宽一致而上方宽度取5不影响结果9.栅氧的生长10.生长多晶硅11.刻蚀多晶硅12.N离子注入13.P+离子注入14.生长磷化硅玻璃PSG15. 光刻接触孔计算过程；接触孔模板 源极长3 故接触孔长应小于3取2，宽取316.刻铝17.钝化保护层淀积五工艺实施方案工艺步骤工艺名称工艺目的设计目标结构参数工艺方法工 艺 条 件1衬底选

12、择得到衬底电阻率20W×cm晶向<100>2一次氧化（外延）为形成p阱提供掩蔽膜厚度：0.435mm 干氧-湿氧-干氧干氧1200 10min湿氧1200 20min干氧1200 10min3一次光刻为硼提供扩散窗口电子束曝光正胶 4一次离子注入注入形成P阱离子注入5一次扩散热驱入达到P阱所需深度结深5mm有限表面源扩散 6二次氧化作为氮化硅膜的缓冲层膜厚膜厚600Å干氧氧化 7氮化硅膜淀积作为光刻有源区的掩蔽膜膜厚1000ÅLPCVD8二次光刻为磷扩散提供窗口电子束曝光正胶9场氧一利用氮化硅的掩蔽，在没有氮化硅、经离子注入的区域生成一层场区氧化层厚度

13、1000Å湿氧氧化，95水温。10三次光刻除去P阱中有源区的氮化硅和二氧化硅层电子束曝光正胶11场氧二生长场氧化层厚度约为1微米湿氧氧化12二次离子注入调整阈值电压表面浓度结深方块电阻注入P+13栅极氧化形成栅极氧化层厚度500Å干氧 14多晶硅淀积淀积多晶硅层厚度4000ÅLPCVDT=60015四次光刻形成PMOS多晶硅栅，并刻出PMOS有源区的扩散窗口电子束曝光正胶16三次离子注入形成PMOS有源区表面浓度结深方块电阻注入B+17五次光刻形成NMOS多晶硅栅，并刻出NMOS有源区的扩散窗口电子束曝光正胶18四次离子注入形成NMOS有源区峰值浓度结深方块电阻注

14、入P+19二次扩散达到所需结深结深表面浓度热驱入950 t=12min20淀积磷硅玻璃保护LPCVD 21六次光刻刻金属化的接触孔电子束曝光正胶22蒸铝、刻铝淀积Al-Si合金，并形成集成电路的最后互连溅射六、心得体会： 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关微电子技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今

15、后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了CMOS器件的特性参数的计算以及它的工艺制作过程我认为，在这学期的课设中，不仅培养了独立思考的能力，在各种

16、其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课程设计过程中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有

17、理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 课程设计中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。我认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师和同学。使我再专业知识得了到很好的提升，在此，要对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！课设的成功，少不了老师的耐心指导和同学的热心帮助，以及小组中其他成员的大力配合。没有大家的默契，也收获不了今日的成功，在课设的过程中每一个人都努力查找资料，仔细检查，认真核对，都付出了自己的努力和艰辛，在此，谢谢所有人的努力和帮助，才使课设能够得以顺利地完成。六、参考资料1、 王蔚，田丽，任明远编著，集成电路制造技术