P阱CMOS芯片制作工艺设计

1、P阱CMOS芯片制作工艺设计制作：韩光、黄云龙、 黄文韬XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片制作工艺设计MOS管的器件结构参数确定确定P阱CMOS芯片的工艺流程薄膜加工工艺参数计算给出CMOS芯片制作的工艺实施方案 设计任务设计任务XUTSchool of sciences一、一、MOS管的器件结构参数确定管的器件结构参数确定NMOS管参数设计与计算PMOS管参数设计与计算XUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算 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

2、穿电压BVDS=35V, 栅源击穿电压BVGS20V, 跨导gm2mS, 截止频率fmax3GHz（迁移率n取600cm2/Vs）XUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算由 得从而有：BVtEBVGSoxOXGSV 250417/25AEOXoxtcmFtCoxOXOX/1028.81017.4/1085.89 .3/8614XUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算47. 4)31028. 8600/(102/12/2832LWmALVVCWuITGSoxnDSat4 .13)1028. 86003/(102/2/ )(83LWmsLVVCW

3、ugTGSOXnm饱和电流：跨导：于是取：W/L 13.4XUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算ZTGSnGHLVVuf32/ )(2max由截止频率： 知：L 3.1um由 和经验公式：知： VBVDS354/ 3162/ 3)10/() 1 . 1 /(60BDSNEgBV3161013. 2cmNAXUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算又因为阈值电压：其中：将 带入以上各式可得： 0.48V 与要求 msfpoxSSoxSDTnCQCQV2/dTASDXqNQ2/1)/4(qNXAfpdTqnNKTIniAfp/)/(ANTnVTn

4、V0.5V 相差不多 故 满足要求 ANXUTSchool of sciencesNMOS管参数设计与计算最后由：故综上取：则：W=30umSADSLqNBV2/2umqNBVLADSS46.1)/2(2/1umL0.215/LWXUTSchool of sciencesPMOS管参数设计与计算特性指标要求： 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BVGS=25V, 跨导gm0.5mS, 截止频率fmax1GHz（迁移率p=220cm2/Vs） XUTSchool of sc

5、iencesPMOS管参数设计与计算由 得从而有：BVtEBVGSoxOXGSV 250417/25AEOXoxtcmFtCoxOXOX/1028.81017.4/1085.89 .3/8614XUTSchool of sciencesPMOS管参数设计与计算饱和电流： 跨导:于是取：W/L 12.22 .12)31028. 8220/(102/12/2832LWmALVVCWuITGSoxpDSat15. 9)1028. 82203/(105 . 0/5 . 0/ )(83LWmsLVVCWugTGSOXpmXUTSchool of sciencesPMOS管参数设计与计算截止频率： 知：L

6、 3.24um 由 和经验公式： 知：ZTGSpGHLVVuf12/ )(2maxVBVDS354/ 3162/ 3)10/() 1 . 1/(60BDSNEgBV3161013.2cmNDXUTSchool of sciencesPMOS管参数设计与计算又因为阈值电压：其中：将 带入以上各式可得： 与-1V相比相差稍微有点大，故作微调取：此时： 满足要求msfnoxSSoxSDTpCQCQV2/dTDSDXqNQ2/1)/4(qNXDfndTqnNKTIniDfn/ )/(DNVVTp865. 0316100 . 3cmNDVVTp05. 1XUTSchool of sciencesPMOS

7、管参数设计与计算最后由：故综上取：则：W=60um注：这里无论是NMOS还是PMOS的计算都是以理想 在计算，实际做时要考虑安全余量适当做厚点SDDSLqNBV2/2umqNBVLDDSS23.1)/2(2/1umL0.230/LW因为为了保持电流连续性一般取PMOS的宽长比为NMOS的2倍pnuu5 . 2oxtXUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程二、P阱CMOS芯片的工艺流程如下: 衬底制备 初始氧化 阱区光刻P阱区注入及推进场氧化及 去除有源区光刻 淀积预栅氧化及P管 注入栅氧及多晶硅淀积、掺杂 光刻P+区光刻及注入N+区光刻及注入Al淀积、光刻及 合金

8、引线空光刻PGS淀积及源漏 区推进43NSi43NSiN管场区光刻， 场注入XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程2SiO1001.衬底制备 由于CMOS器件对界面电荷特别敏感，衬底与 界面态尽可能低，因此选择晶向为 的N型硅做衬底，电阻率约为cm20100的N型硅衬底XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程2.初始氧化 为阱区的选择性刻蚀和随后的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推进的需要。这是P阱硅栅CMOS集成电路制造工艺流程序列的第一次氧化。N-Si衬底2SiOXUTSchool of science

9、sP阱CMOS芯片的工艺流程3.阱区光刻 是P阱硅栅CMOS集成电路制造工艺的第一次光刻，具体包括:涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等工序， 刻蚀除P阱区注入窗口。N-Si2SiOXUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程4.P阱注入及推进（第一次注入） 次步是P阱硅栅CMOS集成电路制造工艺流程中第一次注入掺杂，P阱注入及推进主要是形成P阱区。N-subP-wellXUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程5.剥离阱区氧化层6.热生长垫氧化层 目的是消除 界面间应力，第二次氧化7.LPCVD淀积 2SiOSi 43NSiN-subP

10、-well薄氧43NSiXUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程8.有源区光刻：即第二次光刻 N-SiP-wellSi3N4XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程 9.N沟MOS管场区光刻：即第三次光刻 以光刻胶作为掩蔽层，刻蚀除N沟MOS管场区的注入窗口。10.N沟MOS管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，同时场区重掺杂注入客观上组织了场区寄生MOS管工作 综合9、10两个步骤如图: 光刻胶N-SiP-B+XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程11.局

11、部氧化：第三次化 目的：生长场氧化层12.剥离 和 的缓冲层 综合11、12两个步骤如图： 43NSi2SiON-SiP-XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程13.热氧化生长栅氧化层：第四次氧化14.P沟CMOS管沟道区光刻：第四次光刻15.P沟MOS管沟道区注入（第四次注入）：此过程的目的是调整阈值电压综合13、14、15三个步骤如图：N-SiP-B+XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程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。 综合16、17步骤如图： 多晶硅N-SiP-XUT

12、School of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程18.涂光刻胶19.刻蚀P沟MOS管区的胶膜：第六次光刻20.注入掺杂P沟MOS管区域（第五次注入）：形成CMOS管的源区和漏区。 综合18、19、20三步如图： N-SiP-B+XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程21.涂光刻胶22.刻蚀N沟MOS管区域的胶膜：第七次光刻23.注入掺杂N沟MOS管区域（第六次注入）：形成MOS管的源漏区。24.生长磷硅玻璃:对器件隔离保护。 综合21、22、23、24四步如图：光刻胶N-SiP-PXUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程2

13、5.引线孔光刻：第八次光刻 如下图：PSGN-SiPP-P+N+N+XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程PSGN-SiP+P-P+N+N+XUTSchool of sciencesP阱CMOS芯片的工艺流程26.真空蒸铝27.铝电极反刻 综合26、27两步如图：AlPSGXUTSchool of sciences薄膜加工工艺参数计算方块方块/3300R三、薄膜加工工艺参数计算（1）阱区注入时掩蔽膜厚度的计算以及验证和生长 离子注入 P阱形成 高温推进由P阱的方块电阻 B注入补偿后的杂质计量212106 . 8)/(1cmRquQpB方块XUTSchool of

14、sciences薄膜加工工艺参数计算cm20314102cmCB由衬底电阻率 查表可知若P阱结深5um 则补偿杂质剂量与 相比可以忽略，故注入剂量：若取注入能量E=45kev则离子注入后采用快速热退火使杂质充分活化和晶格损伤降至最低。最后在T=1200 下进行推进达到结深要求21110cmxCQjBBBQ212106 . 8)/(1cmRquQpB方块nmRP150nmRp47CXUTSchool of sciences当T=1200 时 注入后的 推进可以看做有限表面源扩散则推进所需时间为：根据最小掩蔽膜公式对于CMOS器件： T=1200 时 =0.62um 对于实际器件掩蔽膜厚度应为 的

15、1.52倍 薄膜加工工艺参数计算min124)/(4/2baBjCCInDxttDxOXo6 . 8min1212108 . 1ScmDBCCscmDox/107215oxinxXUTSchool of sciences故氧化掩蔽膜厚度为1.24um采用干-湿-干法生成 对于 : T=1200 时干氧：湿氧：第一步：15min干氧由： 知：薄膜加工工艺参数计算C100umA067. 0min/105 . 74umBmin62. 1tumA084. 0min/102 . 12umBmin0t2/ 1)4/()(12BAttAxoumx083.001XUTSchool of sciences薄膜加

16、工工艺参数计算第二步:湿氧135min先将前部干氧对次步的影响算出： =1.16um采用公式： 得：第三步：干氧15min先将前部干氧对次步的影响算出： =2150.7min BAxxt/ )(22/ 1)4/()(12BAttAxoumxo237. 12BAxxt/ )(2XUTSchool of sciences薄膜加工工艺参数计算采用公式： 得：所以综上：掩蔽膜厚度即符合结深要求，又有适当工艺生成。（2）生长600 的垫氧化层2/ 1)4/()(12BAttAxoumxo241. 120AXUTSchool of sciences为了使后道工艺対前道工艺的影响小，此时T取1100 采用干

17、氧生成。对于 : T=1100 时由公式： 得：t=23.57min薄膜加工工艺参数计算C100CumA151. 0min/105 . 44umBmin56. 4t2/ 1)4/()(12BAttAxoXUTSchool of sciences薄膜加工工艺参数计算（3）生长场氧化层厚度为1um：选取湿氧工艺，T取1100 则:对于由公式： 得：t=139.4min(4)栅氧化生长厚度为417 ：选取T=1000 干氧氧化 则:对于CumA185. 0min/1085. 02umBmin2 .22t1002/ 1)4/()(12BAttAxo0AC100umA277. 0min/1095. 14umBmin0tXUTSchool of sciences薄膜加工工艺参数计算由公式： 得：t=45.95min(5)多晶硅栅层淀积：选择LPCVD化学汽相淀积，厚度5000 温度T取600(6) 膜淀积：选择LPCVD低压化学气相淀积，厚度1000 温度T取6002/ 1)4/()