P阱CMOS芯片制作工艺设计

1、微电子技术综合实践 P阱CMOS芯片制作工艺设计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： 自动化学院电子工程系专业班级：学生学号：学生姓名：指导教师姓名： 职称：起止时间： 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、有源区光

2、刻：即第二次光刻 79、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 9 120、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 1.氧化生长 2.曝光 3.氧化层刻蚀

3、 4.P阱注入 5.形成P阱 6.氮化硅的刻蚀 7.场氧的生长 8.去除氮化硅 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PSG 15.光刻接触孔 16.刻铝 17.钝化保护层淀积 五、工艺实施方案 六、心得体会 七、参考资料 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, 栅源击穿电压BVGS25V, 跨导gm2mS, 截止频率fmax3GHz（迁移率

4、1;n=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20W·cm；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56mm；NMOS管的源、漏区磷掺杂后的方块电阻为25W/ð，结深为1.01.

5、2mm；PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25W/ð，结深为1.01.2mm；场氧化层厚度为1mm；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BVGS=EBtox得tox=fmax=BVGS25eox则C£8.3´10-8FÅ ,&

6、#179;=417C=2 oxox6VcmEB6´10oxmn(VGS-VT)³1GHz得L£3.23mm 22pLWmpCOX2L(VGS-VT)2³mA，式中（VGS-VT）VDS(sat)，得W³12.2 L再由IDSAT=又gm=3 ¶IDWmnCOXW=(VGS-VT)³0.5ms，得³9.1 ¶VGSLL4 W³12.2 L阈值电压VTP=(-|QSD(max)|-QSS)toxeox-2ffn+fmsQSD(max)=eNAxdT xdT=(4esffneNA) ffn=KTND)

7、 fms=1.1V eniqND2L得L³0.7mm 2es取ND发现当ND=1´1017cm-3时VTP=-1.05V符合要求,又BVDS=2、PMOS管参数设计与计算：因为BVGS=EBtox,其中，EB=6×106tox=BVGS25³=41Å 7EB6´106VWmpC2LoxV，BVGS³25V 所以)饱和电流：ID(sat=V(G-SV2T)式中（VGS-VT）VDS(sat)，Cox=Weoxox=8.22´10-8 IDsat1mA 故可得宽长比： ³4.51 由gm=¶IDWm

8、nCOX=(VGS-VT)³2ms可得宽长比： ¶VGSLW³13.51 LW³13.51 Lm(V-V)fmax=nGS2T³3GHz L£3.1mm 2pLVTN=|QSD(max)-QSS|toxeox+2ffp+fms取nmos衬底浓度为1.4´1016cm-3查出功函数差与掺杂浓度的关系可知：fms=-1.12V 45 ffp=KTN'A) QSS=qQSS=1.6´10-82 cmeniQSD(max)=eNDxdT xdT=(4esffpeND)qNA2L可知2es取NA发现当NA=2.8&#

9、180;106cm-3时；VTN=0.045V符合要求又QBVDS=W2esBVDS=1.23mm 故取L=2mm =14 LqNAL³三 .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、初始氧化。为阱区的选择性刻蚀和随后的阱区深度注入做工艺准备。阱区掩蔽氧化介质层的厚度取决于注入和退火的掩蔽需要。这是P阱硅栅CMOS集成电路的制造工艺流程序

10、列的第一次氧化。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。阱区光刻的工艺要求是刻出P阱区注入参杂，完成P型阱区注入的窗口4、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。5、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 6薄氧8、有源区光刻：即第二次光刻Si3N49、N沟MOS管场区光刻。即

11、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11、局部氧化：第三次氧化，生长场区氧化层。12、剥离Si3N4层及SiO2缓冲层。综合11，,12两个步骤如图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

12、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16,17两个步骤如图多晶硅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MO

13、S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PSG25、引线孔光刻：第八次光刻，如图PSG26、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AlVDD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。四P阱光刻板W=14 L=28mm1.5L=3mm LW=13 L=26mm 1.5L=3mm N沟：L=2mm L 计算过程；P沟：L=2mm对于掩模板l=2´3+2=8mm 实际取值应稍大于所以 故最终l=9mm w=

14、28mm1.氧化生长2.曝光3.氧化层刻蚀 124.P阱注入5.形成P阱 136.氮化硅的刻蚀计算过程；P阱有源区应与P阱相同l³1.5L+1.5L+L=4L=8mm取为9mm W=13 故w³6 w取28mm L7.场氧的生长8.去除氮化硅 计算过程；l应略大于沟道长度故取为2.5mm 宽应与掩模板宽一致而上方宽度取5mm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 1714.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3mm 故接触孔长应小于3mm取2mm，宽取3mm 1816.刻铝17.钝化保护层淀积五

15、工艺实施方案利用氮化硅的掩蔽，在没有氮化硅、经P+离子注入的区域生成一层场区氧化层10 三次光刻 除去P阱中有源区的氮化硅和二氧化硅层11 场氧二 生长场氧化层12 二次离子调整阈值电注入 压 13 栅极氧化场氧一 厚度1000Å湿氧氧化T=1200oC，95水温。电子束正胶 曝光14 多晶硅淀积15 四次光刻16 三次离子注入 17 五次光刻18 四次离子注入 19 二次扩散 20 淀积磷硅21厚度约为1微湿氧氧米 化 表面浓度 注入P+ 结深方块电阻形成栅极氧厚度500Å 干氧 化层淀积多晶硅厚度4000Å LPCVD 层形成PMOS 电子束多晶硅栅，曝光 并

16、刻出PMOS有源区的扩散窗口形成PMOS表面浓度 注入B+ 有源区 结深方块电阻形成NMOS 电子束多晶硅栅，曝光 并刻出NMOS有源区的扩散窗口形成NMOS峰值浓度 注入P+ 有源区 结深方块电阻达到所需结结深 热驱入 深 表面浓度 保护 LPCVDT=1200oCt=6.2minT=600 t=10min 正胶正胶950 t=12minT=600oC玻璃21 六次光刻 刻金属化的接触孔22 蒸铝 淀积Al-Si、 合金，并形刻铝 成集成电路的最后互连 t=10min 电子束正胶 曝光 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

17、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

18、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

19、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