P阱CMOS芯片制作工艺设计

P阱CMOS芯片制作工艺设计制作：韩光、黄云龙、黄文韬XUTSchoolofsciencesP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XUTSchoolofsciences一、MOS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XUTSchoolofsciencesNMOS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IDsat≥1mA,漏源饱和电压VDsat≤3V，漏源击穿电压BVDS=35V,栅源击穿电压BVGS≥20V,跨导gm≥2mS,截止频率fmax≥3GHz（迁移率µn取600cm2/V·s）XUTSchoolofsciencesNMOS管参数设计与计算•由得从而有：BVtEBVGSoxOXGSV250417/25AEOXoxtcmFtCoxOXOX/1028.81017.4/1085.89.3/8614XUTSchoolofsciencesNMOS管参数设计与计算47.4)31028.8600/(102/12/2832LWmALVVCWuITGSoxnDSat4.13)1028.86003/(102/2/)(83LWmsLVVCWugTGSOXnm•饱和电流：•跨导：•于是取：W/L13.4XUTSchoolofsciencesNMOS管参数设计与计算ZTGSnGHLVVuf32/)(2max•由截止频率：知：L3.1um由和经验公式：知：VBVDS354/3162/3)10/()1.1/(60BDSNEgBV3161013.2cmNAXUTSchoolofsciencesNMOS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msfpoxSSoxSDTnCQCQV2//dTASDXqNQ2/1)/4(qNXAfpdTqnNKTIniAfp/)/(ANTnVTnV0.5V相差不多故满足要求ANXUTSchoolofsciencesNMOS管参数设计与计算•最后由：•故综上取：•则：W=30umSADSLqNBV2/2umqNBVLADSS46.1)/2(2/1umL0.215/LWXUTSchoolofsciencesPMOS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IDsat≥1mA,漏源饱和电压VDsat≤3V，漏源击穿电压BVDS=35V,栅源击穿电压BVGS=≥25V,跨导gm≥0.5mS,截止频率fmax≥1GHz（迁移率µp=220cm2/V·s）XUTSchoolofsciencesPMOS管参数设计与计算•由得从而有：BVtEBVGSoxOXGSV250417/25AEOXoxtcmFtCoxOXOX/1028.81017.4/1085.89.3/8614XUTSchoolofsciencesPMOS管参数设计与计算•饱和电流：•跨导:于是取：W/L12.22.12)31028.8220/(102/12/2832LWmALVVCWuITGSoxpDSat15.9)1028.82203/(105.0/5.0/)(83LWmsLVVCWugTGSOXpmXUTSchoolofsciencesPMOS管参数设计与计算•截止频率：知：L3.24um由和经验公式：知：ZTGSpGHLVVuf12/)(2maxVBVDS354/3162/3)10/()1.1/(60BDSNEgBV3161013.2cmNDXUTSchoolofsciencesPMOS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msfnoxSSoxSDTpCQCQV2//dTDSDXqNQ2/1)/4(qNXDfndTqnNKTIniDfn/)/(DNVVTp865.0316100.3cmNDVVTp05.1XUTSchoolofsciencesPMOS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SDDSLqNBV2/2umqNBVLDDSS23.1)/2(2/1umL0.230/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pnuu5.2oxtXUTSchoolofsciencesP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、光刻及合金引线空光刻PGS淀积及源漏区推进43NSi43NSiN管场区光刻，场注入XUTSchoolofsciencesP阱CMOS芯片的工艺流程2SiO100•1.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cm20100的N型硅衬底XUTSchoolofsciencesP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2SiOXUTSchoolofsciencesP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-Si2SiOXUTSchoolofsciencesP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-wellXUTSchoolofsciencesP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-well薄氧43NSiXUTSchoolofsciencesP阱CMOS芯片的工艺流程•8.有源区光刻：即第二次光刻N-SiP-wellSi3N4XUTSchoolofsciencesP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+XUTSchoolofsciencesP阱CMOS芯片的工艺流程•11.局部氧化：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-XUTSchoolofsciencesP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+XUTSchoolofsciencesP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-XUTSchoolofsciencesP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+XUTSchoolofsciencesP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-PXUTSchoolofsciencesP阱CMOS芯片的工艺流程•25.引线孔光刻：第八次光刻如下图：PSGN-SiPP-P+N+N+XUTSchoolofsciencesP阱CMOS芯片的工艺流程PSGN-SiP+P-P+N+N+XUTSchoolofsciencesP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：AlPSGXUTSchoolofsciences薄膜加工工艺参数计算方块方块/3300R•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)/(1cmRquQpB方块XUTSchoolofsciences薄膜加工工艺参数计算cm20314102cmCB•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211'10cmxCQjBBBQ212106.8)/(1cmRquQpB方块nmRP150nmRp47CXUTSchoolofsciences•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1.5~2倍薄膜加工工艺参数计算min124)]/(4/[2baBjCCInDxttDxOXo6.8min1212108.1ScmDBCCscmDox/107215oxinxXUTSchoolofsciences•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C100umA067.0min/105.74umBmin62.1tumA084.0min/102.12umBmin0t2/]1)4//()(1[2BAttAxoumx083.001XUTSchoolofsciences薄膜加工工艺参数计算•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：=2150.7minBAxxt/)(22/]1)4//()(1[2BAttAxoumxo237.12BAxxt/)(2XUTSchoolofsciences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//()(1[2BAttAxoumxo241.120AXUTSchoolofsciences•为了使后道工艺対前道工艺的影响小，此时T取1100采用干氧生成。对于:T=1100时由公式：得：t=23.57min薄膜加工工艺参数计算C100CumA151.0min/105.44umBmin56.4t2/]1)4//()(1[2BAttAxoXUTSchoolofscie