p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算

p阱CMOS芯片制作工艺设计目录TOC\o"1-5"\h\z一．设计参数要求 2二．设计内容 31：PMOS管的器件特性参数设计计算。 32:NMOS管参数设计及计算。 43:p阱CMOS芯片制作的工艺实施方案； 5工艺流程 54．光刻工艺及流程图（典型接触式曝光工艺流程为例） 125：掺杂工艺参数计算； 14P阱参杂工艺计算 14PMOS参杂工艺计算 15NMOS参杂工艺计算 16三：工艺实施方案 17四、参考资料 24五：心得体会 24一．设计参数要求1.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IDsatblmA,漏源饱和电压VDsat=3V,漏源击穿电压BVDS=35V,栅源击穿电压BVGSA25V,跨导gm>2mS,截止频率fmax>3GHz（迁移率pn=600cm2/V・s）P沟多晶硅栅MOSFET:阈值电压VTp=-1V，漏p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算极饱和电流IDsatblmA,漏源饱和电压VDsat=3V,漏源击穿电压BVDS=35V,栅源击穿电压BVGS=A25V,跨导gm>0.5mS,截止频率fmax》1GHz（迁移率pp=220cm2/V・s）2.结构参数参考值：N型硅衬底的电阻率为20 cm;垫氧化层厚度约为600A;氮化硅膜厚约为1000A;P阱掺杂后的方块电阻为3300/，结深为5~6m;NMOS管的源、漏区磷掺杂后的方块电阻为25/，结深为0.3~0.5m;PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25/，结深为0.3~0.5m;场氧化层厚度为1m;栅氧化层厚度为500A;多晶硅栅厚度为4000~5000Ao二.设计内容1：PMOS管的器件特性参数设计计算.由|得 |A, _|，式中（，式中（VGS-VT）再由 |AVDS(sat)，得___|又_2SJ阈值电压_2SJ阈值电压TOC\o"1-5"\h\z一］ 3取」发现当 ［时 |符合要求，又 |得A| I2：NMOS管参数设计及计算。因为 ［，其中，_|6X疋乂， ［所以 |A饱和电流:,式中(VGS-VT)饱和电流:>VDS(sat),IDsatblmA故可得宽长比：可得宽长比:可得宽长比:出IH1□□取nmos衬底浓度为 |查出功函数差及掺杂浓度的关系可知:—I I乂I取两发现当|—|时；|=|符合要求又 |可知 | 故取wi[H]3：p阱CMOS芯片制作的工艺实施方案；工艺流程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，衬底及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20Q・CM2：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列的第一次氧化。S102衬底S102衬底N-&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N-Si +j4：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。

1 1P-lwllkDNsub5：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。Nsub8：有源区光刻：即第二次光刻P-™11・9：N沟MOS管场区光刻。10：N沟MOS管场区P+注入。p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算第二次注入。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。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。勺£13：热氧化生长栅氧化层。14：P沟MOS管沟道区光刻。15：P沟MOS管沟道区注入N-Si^16:生长多晶硅。17:刻蚀多晶硅栅瘗晶硅18：涂覆光刻胶。19：刻蚀P沟MOS管区域的胶膜。20:注入参杂P沟MOS管区域。B+-r 1F !F 1|1N-S.L-'21：涂覆光刻胶。22：刻蚀N沟MOS管区域的胶膜

23:注入参杂N沟MOS管区域24：生长磷硅玻璃PSG。As-u -~JPN-SU*25：引线孔光刻F沁26：真空蒸铝。27：铝电极反刻IAU-IAU-P阱硅栅CMOS反相器单元的管芯制造工艺流程4•光刻工艺及流程图（典型接触式曝光工艺流程为例）⑴氧化生长基片（打底濮）⑵曝光,HH⑶氧化层刻蚀⑷P阱注入⑸形成P阱⑹氮化硅的刻蚀⑺场氧的生长⑻去除氮化硅⑼栅氧的生长⑽生长多晶硅(11)刻蚀多晶硅仞wa(12)N+离子注入(19P+离子注入(⑷生长磷化硅玻璃PSG(15)光刻接触孔刻铝钝化保护层淀积5：掺杂工艺参数计算；P阱参杂工艺计算由P阱的方块电阻可计算出B注入的补偿杂质剂量。由衬底电阻率20Q・c皿查表得0二匚P阱结深5“m则补偿杂质浓度。及狂比较可以忽略，故，注入剂量为取注入能量E=45KeV则查图表得—156?tmAJ?p— 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p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算进行有限表面源扩散达到结深要求。当T=1200£时二=_三J—；：’厂。此时所需要的时间为124min根据最小掩蔽膜公式对于CMOS器件：T=1200°C时? .：--.w可以解出最小氧化膜厚度应为=三S.3.7=2 ..：■：■■：0对于实际器件，掩蔽膜厚度应为"的1.5〜2倍。故，氧化膜厚度可取1.24“m。②PMOS参杂工艺计算PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25/ ,则可解得注入的补偿杂质剂量为j=一=一=］:汀：「一；：-：。衬底参杂浓度为0二］:,计算的良=。丄=::二_：「，它的值可以忽略。取注入能量为三=w于则查图表得耳一—0.1566jxm及_耳.一二［二EH：:。可计算出结深■看二心+(2尿(一判丫厶码=0.451皿。随后在T=950C条件下采用热退火处理12min使其结深达到要求，杂质浓度分布均匀。在此条件下，可由最小掩蔽膜厚度公式，:一二Ji- 二；】-三匚：］计算所需多晶硅膜厚度。当掩蔽效率达到99.999%时，查图表得出集体参数，计算的最小多晶硅膜厚度为一，=3194A,：4°°°A。③NMOS参杂工艺计算NMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25/ ,则可解得注入的补偿杂质剂量为Qb=PQb=p=却二•丄,m：「二-匕•：.：一：=二155.?■:：:。查表知。二汀计算得d二匚訂二1亍=:-宀，它的值可以忽略。取注入能量为三二二「则查图表得及-珀 可计算出结深兀=R+2Ln(一區Ha/?=°.4°2呻。随后在J 卫L cB}\ 卫T=950£条件下采用热退火处理12min使其结深达到要求，杂质浓度分布均匀。p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算

在此条件下，可由最小掩蔽膜厚度公式，:一二- v.. 二;v匚计算所需多晶硅膜厚度。当掩蔽效率达到99.999%时，查图表得出集体参数，计算的最小多晶硅膜厚度为一、=3494A"°°°A。三：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衬底制备衬底制备电阻率20Q・cm晶向<100>2一次氧化外延为形成P阱提供掩厚度1.24pm干氧—湿氧一干氧均在1200°C下。干氧15min湿氧135min蔽膜干氧15min3一次为硼电子正胶光刻扩散束曝40s提供光窗口4一次注入R=330离子E=S.6粒子形成0注入X1012cm-2注入P阱/E=40KeV5一次热驱结深有限T=1200°C扩散入达5皿表面t=134min到P源扩阱深散度6二次作为膜厚干氧T=1200C氧化氮化600A氧化t=9min硅薄膜的缓冲

层7氮化硅薄膜淀积作为光刻有源区的掩蔽膜膜厚ioooALPCVDT=600°C8二次光刻为磷扩散提供窗口电子束曝光正胶40s9场氧利用氮化硅的掩蔽，在没氮化硅区厚度ioooA湿氧氧化T=1200C水温95C

域生长氧化层10三次光刻除去P阱有源区的氮化硅等电子束曝光正胶11场氧生长厚度湿氧T=1100°C二氧化层1氧化t=140min12二次离子注入调整阈值电压表面参杂浓度和结深及方块电阻注入磷离子13栅极形成膜厚干氧T=1000C

氧化栅极氧化层417At=22.2min14多晶硅淀积淀积多晶硅层厚度4000ALPCVDT=600°Ct=10min15四次光刻形成PMOS多晶硅栅，刻出PMOS有源区扩散口电子束曝光正胶16三次形成表面结注入剂量为

离子注入PMOS有源区深，方块电阻硼离子1.136XE=40KeV17五次光刻形成NMOS的多晶硅栅，刻出NMOS有源区扩散口电子束曝光正胶18四次离子注入形成NMOS有源区浓度，结深注入磷离子剂量为4.17X1014m-2E=lWKeV

19热退火，二次扩散达到所需结深，均匀分布结深，浓度热驱入T=950°Ct=12min20淀积磷硅工血玻璃保护LPCVDT=600Ct=10min21六次光刻刻出金属的接触孔电子束曝光正胶22蒸铝，刻铝淀积铝硅合金并形成集成电溅射路的互连四、参考资料1、 王蔚，田丽，任明远编著，《集成电路制造技术——原理及工艺》，电子工业出版社，20102、 刘睿强，袁勇，林涛编著《集成电路制程设计及工艺仿真》，电子工业出版社，20113、 DonaldA.Neamen著，赵毅强等译《半导体器件物理》电子工业出版社4、 关旭东，《集成电路工艺基础》，北京大学出版社，20055、 陈贵灿，邵志标，程军，林长贵编，《CMOS集成电路设计》，西安:西安交通大学出版社，20006、 李乃平主编，《微电子器件工艺》，华中理工大学出版社，19957、 黄汉尧，李乃平编《半导体器件工艺原理》，上海科学技术出版社，19868、 夏海良，张安康等编，《半导体器件制造工艺》，上海科学技术出版社，1986五：心得体会顺利的完成了此次课程设计报告的内容，已经让人觉得很吃力，通过本次课程设计的学习，使我对于P阱CMOS芯片工艺设计制作的相关流程得以熟悉，更加扎实的掌握了有关微电子技术方面的知识，设计过程中，我们小组关于公式的选取和参数的估计，存在很大的争议，后来经过三个人共同的商议，最终选择了最优的方案，过程中，一遍又一遍翻阅课本，网上查阅资料，深深地觉得自己在课程学习中的知识的欠缺，然后我们通过自己相互之间进行讨论，其他小组之间进行相互讨论,一遍又一遍的订正错误，才得以使课程设计圆满完成，一个小小的课程设计，不仅仅考验人知识的掌握能力，更挑战团队合作和共同解决问题的能力，。在今后社会的发展和学习实践过程中，也为自己能很快的适应团队和适应新项目积累宝贵经验！这是一次简单的尝试，总算我们组根据不同人的分工都能使工作顺利进行下去，非常感谢团队之间其他人的付出我们这次课程设计的内容是P阱CMOS芯片制作工艺设计，提供初始条件，要求我们完成PMOS，NMOS管参数的设计，还有芯片制作工艺流程简介，和光刻工艺的深入了解，最后，还要求我们分析离子注入的掺杂系数，其中，计算比较多，计算的要求必然是对于知识p阱CMOS芯片制作工艺设计掺杂工艺参数计算的深入掌握，和对于概念的理解，我们在整个过程中，查阅了《现代集成电路制造技术原理及实践》《半导体器件》，以及老师预留的PPT，终于在合作中将这些问题化解。课程设计作为一门时间性比较强的课程也在我们这次合作中有更多体现，操作性较强，大家需要了解的东西很多，我们也在整个过程中学习了很多解决问题的方法，比如，计算机绘图软件，计算软件，模拟软件的学习，都是有必要的且有益的，同学之间相互帮助