N阱CMOS芯片设计

微电子技术综合实践N阱CMOS芯片的设计一．设计指标要求•1.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）•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≥20V,跨导gm≥0.5mS,截止频率fmax≥1GHz（迁移率µp取220cm2/V·s）•3.结构参数参考值：•p型硅衬底的电阻率为50cm；•n阱CMOS芯片的n阱掺杂后的方块电阻为690/□，结深为5~6m；•pMOS管的源、漏区掺杂后的表面浓度11020cm-3，结深为0.3~0.5m；•nMOS管的源、漏区掺杂后的表面浓度11020cm-3，结深为0.3~0.5m；•场氧化层厚度为1m；垫氧化层厚度约为600Å；栅氧化层厚度为400Å；•氮化硅膜厚约为1000Å；多晶硅栅厚度为4000~5000Å。•4．设计内容•（1）MOS管的器件特性参数设计计算；•（2）薄膜加工工艺参数计算：分析、设计实现场氧化、栅氧化、多晶硅栅层或掩蔽氧化膜等的工艺方法和工艺条件（要求给出具体温度、时间或流量、速度等），并进行结深或掩蔽有效性的验证；•（3）确定n阱CMOS芯片制作的工艺实施方案（包括所设计的结构参数、制作工艺流程、工艺方法、工艺条件及预期的结果）。二．MOS器件特性分析MOS器件特性分析•2.PMOS参数设计与计算三．工艺流程分析•1.衬底制备：CMOS集成电路通常制造在尽可能轻掺杂硼的P型（100）衬底上以减小衬底电阻，电阻率50Ω·cm。采用（100）晶向衬底是因为MOSFET工作电流为表面多子漂移电流，所以与载流子的表面迁移率有关，（100）的界面态密度最低，其表面迁移率最高，使得MOSFET可以有高的工作电流。•2.初始氧化：N阱区掩蔽氧化介质膜的厚度取决于注入和退火的掩蔽需要。采用干氧-湿氧-干氧的方法。干氧氧化层结构致密，与光刻胶粘附性好，光刻质量好。湿氧来生长氧化层。氧化机理：高温下，氧气与硅接触，氧气分子与其表面的硅原子反应生成SiO2起始层。由于起始氧化层会阻碍氧分子与Si表面的直接接触，其后的继续氧化是负氧离子扩散穿过已生成的SiO2向Si侧运动，到达SiO2-Si界面进行反应，使氧化层加厚。•3.阱区光刻：采用典型的常规湿法光刻工艺，包括涂胶、前烘，曝光，显影、坚膜，腐蚀，去胶；阱区光刻的工作目的是光刻出N阱区注入窗口。氧化层的刻蚀用HF与SiO2反应。•4.N阱注入：N阱注入是该N阱硅栅COMS集成电路制造工艺流程序列中的第一次注入掺杂。工艺要求是形成N阱区。•5.扩散，达到N阱所需阱深。•6.剥离阱区氧化层形成N阱。•7.生长SiO2,消除Si-Si3N4界面应力，第二次氧化。•8.LPCVD制Si3N4介质层。氨化反应，反应剂：硅烷SiH4/二氯二氢硅SiH2Cl2/四氯化硅SiCl4和氨气.•9.有源区光刻：第二次光刻。分别采用热H3PO4和HF刻蚀Si3N4和SiO2。•10.场区氧化：有源区以外统称为场区，金属连线主要分布在场区。MOS晶体管之间就是靠场区的厚氧化层隔离。由于场区和有源区的氧化层厚度差别较大，为了避免过大的氧化层台阶影响硅片的平整度，进而影响金属连线的可靠性，MOS集成电路中采用硅的局部氧化方法即LOCOS工艺形成厚的场氧化层。场区氧化采用湿氧氧化，特点速度快。•11.光刻法去除氮化硅和SiO2，第三次光刻。刻蚀后注入B调整阈值电压。•12.栅氧化：采用干氧氧化，结构致密，均匀，重复性好。作为CMOS中的绝缘层，用来把CMOS栅极与下方源极、漏极以及源漏极间导电沟道隔离开来的氧化介质层。•13.淀积多晶硅（CVD多晶硅薄膜工艺，硅烷两步分解）：目前MOS晶体管大多采用高掺杂的多晶硅作为栅电极，简称为硅栅。硅栅工艺也叫做自对准工艺。因为多晶硅耐高温，可以经受离子注人后的退火激活温度，所以硅栅工艺是先制作好硅栅，然后以栅极图形为掩蔽进行注人，在栅极两侧形成源、漏区，实现了源-栅-漏自对准。•14.光刻多晶硅，第四次光刻，形成P沟MOS管和N沟MOS管的多晶硅，形成欧姆接触。•15.光刻N沟MOS管区域胶膜，第五次光刻。•16.在N沟MOS管区域注入磷，形成MOS管源区、漏区。为了有效的防止短沟道效应，在集成电路制造工艺中引入了轻掺杂漏工艺（LDD），当然这一步的作用不止于此，大质量材料和表面非晶态的结合形成的浅结有助于减少源漏间的沟道漏电流效应。同时LDD也是集成电路制造的基本步骤。•为了防止大剂量的源漏注入过于接近沟道从而导致沟道过短甚至源漏连通，在CMOS的LDD注入之后要在多晶硅栅的两侧形成侧墙。侧墙的形成主要有两步：（1）.在薄膜区利用化学气相淀积设备淀积一层二氧化硅。（2）.然后利用干法刻蚀工艺刻掉这层二氧化硅。由于所用的各向异性，刻蚀工具使用离子溅射掉了绝大部分的二氧化硅，当多晶硅露出来之后即可停止反刻，但这时并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅的侧墙上保留了一部分二氧化硅。这一步是不需要掩膜的。•17.光刻P沟MOS管区域胶膜，第六次光刻。•18.在P沟MOS管区域注入硼，形成P沟MOS管源区、漏区。•19.淀积磷硅玻璃PSG。•20.引线孔光刻，第七次光刻。•21.真空蒸铝（PVD）•22.反刻铝•23.淀积钝化保护层•24.压焊：集成电路芯片的引出端压点（pad）暴露出来，以便在芯片封装时使芯片上的压点和管壳的相应管脚（pin）连接起来。四．薄膜加工工艺参数计算•1.形成N阱的工艺参数计算•形成N阱的工艺分两步：先是浅结离子注入然后退火推进使N阱达到所需结深。•（1）离子注入：•（2）退火，推进：离子注入后采用快速退火使杂质充分活化和晶体损伤最低，最后在T=1200℃下进行推进达到结深要求。•2.氧化层厚度的计算及验证•干氧、湿氧情况下•（1）30min干氧生成的SiO2的厚度：•（2）120min湿氧生成的SiO2的厚度：•（3）30分钟干氧生成的SiO2的厚度：•3.多晶硅栅膜•4.生长600Å的垫氧化层对于100径向T=1100℃时选择干氧氧化•5.生长场氧•6.生长334Å的栅氧化层•7.氮化硅•8.磷硅玻璃五．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衬底选择衬底电阻率晶向（100）2初始氧化为n阱形成提供掩蔽厚度干氧—湿氧—干氧干氧1200度，30min湿氧1200度，120min干氧1200度30min3一次光刻为磷提供扩散窗口普通曝光正胶4离子注入注入形成n阱离子注入P+5退火推进达到n阱所需深度结深：方块电阻:有限表面源扩散6二次氧化作为氮化硅膜的缓冲层膜厚600Å干氧氧化cm50口/690RKeVE80690℃950Tht5.21200TC9mintcmQ31901012.4m1.1817氮化硅膜淀积作为光刻有源区的掩蔽膜膜厚1000Å膜厚1000Åt=18min8二次光刻为磷扩散提供窗口光刻有源区正胶9场氧利用氮化硅的掩蔽，在没有氮化硅、经离子注入的区域生成一层场区氧化层湿氧氧化95℃水温。10三次光刻除N阱中有源区的氮化硅和二氧化硅层普通曝光负胶11离子注入调整阈值电压注入B+12栅极氧化形成栅极氧化层厚度400Å干氧℃750Tm1厚度1200TC1200TCmin6t13多晶硅淀积淀积多晶硅层厚度4000ÅLPCVDT=600℃14四次光刻形成NMOS和PMOS多晶硅栅普通曝光正胶15五次光刻光刻出NMOS有源区的扩散窗口16离子注入形成NMOS有源漏区表面浓度结深注入P+17六次光刻光刻出PMOS有源区的扩散窗口普通曝光正胶18离子注入形成PMOS有源漏区表面浓度结深注入B+19淀积磷硅玻璃保护LPCVDmin40t320101cmm3.0KeVE150~130320101cmm3.0KeVE57~52600TC10mintcm-3190101.62QcmQ31901049.120七次光刻刻金属化的接触孔普通曝光正胶21蒸铝、反刻铝淀积Al-Si合金，并形成集成电路的最后互连溅射负胶22钝化层起保护作用淀积23八次光刻刻压焊孔掩膜版负胶