P阱CMOS芯片制作工艺设计.docx
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P阱CMOS芯片制作工艺设计
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:
一、设计要求3
1、设计任务3
2、特性指标要求3
3、结构参数参考值3
4、设计内容3
二、MOS管的器件特性设计3
1、NMOS管参数设计与计算3
2、PMOS管参数设计与计算4
三、工艺流程设计5
1、衬底制备5
2、初始氧化6
3、阱区光刻6
4、P阱注入6
5、剥离阱区的氧化层6
6、热生长二氧化硅缓冲层6
7、LPCVD制备Si3N4介质6
8、有源区光刻:
即第二次光刻7
9、N沟MOS管场区光刻7
10、N沟MOS管场区P+注入7
11、局部氧化8
12、剥离Si3N4层及SiO2缓冲层8
13、热氧化生长栅氧化层8
14、P沟MOS管沟道区光刻8
15、P沟MOS管沟道区注入8
16、生长多晶硅8
17、刻蚀多晶硅栅8
18、涂覆光刻胶9
19、刻蚀P沟MOS管区域的胶膜91
20、注入参杂P沟MOS管区域9
21、涂覆光刻胶9
22、刻蚀N沟MOS管区域的胶膜9
23、注入参杂N沟MOS管区域9
24、生长PSG9
25、引线孔光刻10
26、真空蒸铝10
27、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
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≥2mS,截止频率fmax≥3GHz(迁移率µn=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≥25V,跨导gm≥0.5mS,截止频率
fmax≥1GHz(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20cm;垫氧化层厚度约为600Å;氮化硅膜厚约为1000Å;
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1.0~1.2m;
PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25/,结深为1.0~1.2m;
场氧化层厚度为1m;栅氧化层厚度为500Å;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、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BVGSEBtox得tox
fmaxBVGS25ox则C8.3108FÅ,417C2oxox6VcmEB610oxn(VGSVT)1GHz得L3.23m22L
WpCOX
2L(VGSVT)2mA,式中(VGS-VT)≥VDS(sat),得W12.2L再由IDSAT
又gm
3IDWnCOXW(VGSVT)0.5ms,得9.1VGSLL
4W12.2L
阈值电压VTP(|QSD(max)|QSS)tox
ox2fnms
QSD(max)eNAxdTxdT(4sfn
eNA)fnKTND)ms1.1Veni
qND2L得L0.7m2s取ND发现当ND11017cm3时VTP1.05V符合要求,又BVDS
2、PMOS管参数设计与计算:
因为BVGSEBtox,其中,EB6×106toxBVGS2541Å7EB6106VWpC
2LoxV,BVGS25V所以)饱和电流:
ID(satV(GSV2
T)式中(VGS-VT)≥VDS(sat),,
Cox
Woxox8.22108IDsat≥1mA故可得宽长比:
4.51由gmIDWnCOX(VGSVT)2ms可得宽长比:
VGSL
W13.51L
W13.51L
(VV)fmaxnGS
2T3GHzL3.1m2L
VTN|QSD(max)QSS|tox
ox2fpms
取nmos衬底浓度为1.41016cm3查出功函数差与掺杂浓度的关系可知:
ms1.12V4
5fpKTN'A)QSSqQSS1.61082cmeni
QSD(max)eNDxdTxdT(4sfp
eND)
qNA2L可知2s取NA发现当NA2.8106cm3时;VTN0.045V符合要求又BVDS
W2sBVDS1.23m故取L2m14LqNAL
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20Ω•CM。
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
Si3N4
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MOS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
PSG
25、引线孔光刻:
第八次光刻,如图
PSG
26、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
Al
VDD
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
W14L28m
1.5L3mL
W13L26m1.5L3mN沟:
L2mL计算过程;P沟:
L2m
对于掩模板l2328m实际取值应稍大于所以故最终l9mw28m
1.氧化生长
2.曝光
3.氧化层刻蚀12
4.P阱注入
5.形成P阱13
6.氮化硅的刻蚀
计算过程;P阱有源区应与P阱相同l1.5L1.5LL4L8m取为9mW13故w6w取28
mL
7.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2.5m宽应与掩模板宽一致而上方宽度取5m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17
14.生长磷化硅玻璃
PSG
15.光刻接触孔
计算过程;接触孔模板源极长3m故接触孔长应小于3m取2m,宽取3m18
16.刻铝
17.钝化保护层淀积
五.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
T1200C,
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4000ÅLPCVD层
形成PMOS电子束多晶硅栅,曝光并刻出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LPCVD
T1200C
t6.2min
T=600℃t10min正胶
正胶
950℃t=12min
T600C
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t10min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合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询,只要认真钻研,动脑思考,动手实践,就没有弄不懂的知识,收获颇丰。
我认为,在这学期的实验中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过程中,我们通过查找大量资料,请教老师和同学。
使我再专业知识得了到很好的提升,在此,要对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
课设的成功,少不了老师的耐心指导和同学的热心帮助,以及小组中其他成员的大力配合。
没有大家的默契,也收获不了今日的成功,在课设的过程中每一个人都努力查找资料,仔细检查,认真核对,都付出了自己的努力和艰辛,在此,谢谢所有人的努力和帮助,才使课设能够得以顺利地完成。
六、参考资料
1、王蔚,田丽,任明远编著,《集成电路制造技术——原理与工艺》,电子工业出版社,
2010
2、刘睿强,袁勇,林涛编著《集成电路制程设计与工艺仿真》,电子工业出版社,2011
3、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,2005
5、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,2000
6、李乃平主编,《微电子器件工艺》,华中理工大学出版社,1995
7、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,1986
8、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
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