微電子技術綜合實踐P阱CMOS芯片制作工藝設計

1、微電子技術綜合實踐設計報告題目：P阱CMO芯片制作工藝設計院系:自動化學院電子工程系專業(yè)班級學生學號學生姓名指導教師姓名:職稱:起止時間:6月27日一7月8日成績:貶場ft丿字XrAIM UNIVERSITY OF TECHNOLOGV一、設計要求31、設計任務32、特性指標要求33、結構參數(shù)參考值34、設計內容3二、MOS管的器件特性設計31、NMOS管參數(shù)設計與計算32、PMOS管參數(shù)設計與計算4三、工藝流程設計51、襯底制備52、初始氧化63、阱區(qū)光刻64、 P阱注入65、剝離阱區(qū)的氧化層66、熱生長二氧化硅緩沖層67、LPCVD制備Si3N4介質6&有源區(qū)光刻：即第二次光刻79

2、、N溝MOSt場區(qū)光刻710、N溝MOSt場區(qū)P+注入711、局部氧化812、剝離Si3N4層及SiO2緩沖層813、熱氧化生長柵氧化層814、P溝MOSt溝道區(qū)光刻815、P溝MOSt溝道區(qū)注入816、生長多晶硅817、刻蝕多晶硅柵818、涂覆光刻膠919、刻蝕P溝MOSt區(qū)域的膠膜920、注入?yún)㈦sP溝MOS管區(qū)域921、涂覆光刻膠922、刻蝕N溝MOS管區(qū)域的膠膜923、注入?yún)㈦sN溝MOS管區(qū)域924、生長PSG925、引線孔光刻1026、真空蒸鋁1027、鋁電極反刻10四、P阱光刻版111.氧化生長112.曝光123.氧化層刻蝕12阱注入135.形成P阱136.氮化硅的刻蝕147.場氧的

3、生長148.去除氮化硅159.柵氧的生長1610.生長多晶硅1611.刻蝕多晶硅17+離子注入17+離子注入1714.生長磷化硅玻璃PSG1815.光刻接觸孔1816.刻鋁1917.鈍化保護層淀積20五、工藝頭施方案20六、心得體會22七、參考資料23一.設計要求:1、設計任務：N阱CMO芯片制作工藝設計2、特性指標要求n溝多晶硅柵MOSFET閾值電壓VTn=,漏極飽和電流I Dsat> 1mA,漏源飽和電壓VDsat< 3V,漏源擊穿電壓 BD=35V,柵源擊穿電壓 BGs> 25V,跨導gm> 2mS,截止頻率fmax >3GHz（遷移率卩 n=600cm/V

4、 s）p溝多晶硅柵MOSFET閾值電壓Vrp= -1V,漏極飽和電流I Dsat> 1mA,漏源飽和電壓VDsatW 3V,漏源擊穿電壓 BV=35V,柵源擊穿電壓 BGs> 25V，跨導gm> ,截止頻率fmax > 1GHz（遷移率卩 p=220cnT/V s）3、結構參數(shù)參考值：N型硅襯底的電阻率為20 ?cm ;墊氧化層厚度約為600 ?;氮化硅膜厚約為1000 ?;P阱摻雜后的方塊電阻為3300 /，結深為56NMO管的源、漏區(qū)磷摻雜后的方塊電阻為25 /PMO管的源、漏區(qū)硼摻雜后的方塊電阻為25 /，結深為-m ；場氧化層厚度為1 m ;柵氧化層厚度為500

5、 ?;多晶硅柵厚度為 4000 5000 ?。4、設計內容1 、MOS管的器件特性參數(shù)設計計算；2 、確定P阱CMO®片的工藝流程，畫出每步對應的剖面圖；3、分析光刻工藝，畫出整套光刻版示意圖；4、給出n阱CMO®片制作的工藝實施方案（包括工藝流程、方法、二. MOS管的器件特性設計1、NMO管參數(shù)設計與計算:fmax再由BVgs 25由 BVGS EbG 得 tox 肓 忌 417? Cxn(VGS Vt)2 L21GHz得 L 3.23 mI DSATI DVGS則CoxW pCoX (Vgs Vt)2 mA，式中(VGsVt)VDs(sat)，得2LW nCoXL(V

6、gs Vt) 0.5ms，得W 9.18.3 10 82/ cmW 12.2LW 12.2L閾值電壓Vtp(|QsD(max) |Qss)2 fn msoxQsD(max)eNAxdTxd-r(4 s fn)/2eNAfn KTln(N)eriims1.1V取Nd發(fā)現(xiàn)當Nd1017cm3時Vtp1.O5V符合要求,又BVds得L 0.7 m2、PMO管參數(shù)設計與計算:BVgsEBtox其中，Eb 6 X 106究mBVgs25V 所以toxBVgsEb25c6 106VCm 417 ?Id (sat)W pCox2L(Vgs Vr)2 ,式中(Vg&Vt )> VDXsat)ox

7、10 8IDsat> 1mA故可得寬長比:wL4.51由gmI DVGSW(Vgs Vt)2ms可得寬長比:WW 13.51LWL13.51fmaxn(VGS2 L23GHzL 3.1 mVtn1 QsD(max) Qss 丨2 fpoxms取nmos襯底濃度為1.4 1016cm3查出功函數(shù)差與摻雜濃度的關系可知:ms 1.12Vfp a(也)e njqQss 1.6 10 8%m2QsD(max)eNDxdTxd-r取Na發(fā)現(xiàn)當Na2.8106cm 3 時；Vtn 0.045V符合要求又BVdsL2 sBVdsl QNa1.23 m故取L 2Wm14L.工藝流程分析約為20Q ?CM

8、2、初始氧化。為阱區(qū)的選擇性刻蝕和隨后的阱區(qū)深度注入做工藝準備。 阱區(qū)掩蔽氧化介質層的厚 度取決于注入和退火的掩蔽需要。這是 P阱硅柵CMO集成電路的制造工藝流程序列的 第一次氧化。J襯底N-Si3、阱區(qū)光刻。是該款P阱硅柵CMO集成電路制造工藝流程序列的第一次光刻。若采用典型的常 規(guī)濕法光刻工藝，應該包括：涂膠，前烘，壓板，曝光，顯影，定影，堅膜，腐蝕。去 膠等諸工序。阱區(qū)光刻的工藝要求是刻出 P阱區(qū)注入?yún)㈦s，完成P型阱區(qū)注入的窗口SiO2IN-Si4、P阱注入。是該P阱硅柵COM集成電路制造工藝流程序列中的第一次注入?yún)㈦s。P阱注入工藝 環(huán)節(jié)的工藝要求是形成P阱區(qū)。P-wellN-sub5、

9、剝離阱區(qū)氧化層。6、熱生長二氧化硅緩沖層：消除Si-Si3N4界面間的應力，第二次氧化。7、LPCVD制備 Si3N4 介質。綜合三個步驟如下圖Si3N49、N溝MOS?場區(qū)光刻。即第三次光刻，以光刻膠作為掩蔽層，刻蝕出 N溝most的場區(qū)注入窗口。10、N溝MOS?場區(qū)P+注入：第二次注入。N溝most場區(qū)P+勺注入首要目的是增強阱區(qū)上沿位置處的隔離效果。 同時，場區(qū)注入還具有以下附加作用：A場區(qū)的重摻雜注入客觀上阻斷了場區(qū)寄生 mos管的工作B重摻雜場區(qū)是橫向寄生期間失效而一直了閂鎖效應：C場區(qū)重摻雜將是局部的阱區(qū)電極接觸表面的金一半接觸特性有所改善。 綜合9, 10兩個步驟如圖光刻膠P-

10、N-Si11、局部氧化：第三次氧化，生長場區(qū)氧化層。12、剝離Si3N4層及SiO2緩沖層。綜合11，,12兩個步驟如圖13、熱氧化生長柵氧化層：第四次氧化。14、P溝MOSt溝道區(qū)光刻：第四次光刻-以光刻膠做掩蔽層。15、P溝MOS管溝道區(qū)注入：第四次注入， 綜合13,14,15三個步驟如圖該過程要求調解 P溝MOS管的開啟電壓。PB+1 1F ' 1r 'N-Si16、生長多晶硅。17、刻蝕多晶硅柵：第五次光刻，形成N溝MOS管和P溝MOS管的多晶硅柵歐姆接觸層 及電路中所需要的多晶硅電阻區(qū)。綜合16,17兩個步驟如圖多晶硅18、涂覆光刻膠。19、刻蝕P溝most區(qū)域的膠膜

11、：第六次光刻p+保護環(huán)。20、注入?yún)㈦sP溝MOSt區(qū)域：第五次注入，形成CMOS!的源區(qū)和漏區(qū)。同時，此過 程所進行的P+注入也可實現(xiàn)電路所設置的 綜合三個步驟如圖21、涂覆光刻膠。22、刻蝕N溝MOS管區(qū)域的膠膜：第七次光刻23、注入?yún)㈦sN溝most區(qū)域：第六次注入，形成N溝most的源區(qū)和漏區(qū)。同時，此 過程所進行的N+注入也實現(xiàn)了電路所設置的 N+呆護環(huán)。24、生長磷硅玻璃PSG綜合四個步驟如圖光刻膠PN-SiPSG25、引線孔光刻：第八次光刻，如圖PSG26、真空蒸鋁。27、鋁電極反刻：第九次光刻 綜合兩個步驟如圖AlVDDINrCOUT至此典型的P阱硅柵CMO反相器單元的管芯制造工藝

12、流程就完場了。四. P阱光刻板計算過程；P溝：LN溝：LWLWL141328 m26 m1.5L3 m1.5L3 m對于掩模板l 2實際取值應稍大于所以1.氧化生長故最終l 9 m w 28 m氧化層生長-光刻q,刻P阱掩模板5.形成P阱N-3UBQuni2S|j(rk I172.曝光曝光光刻4,亥阱掩模板/掩模板光刻膠氧化層的刻蝕光刻仏刻P阱掩模板HF19阱注入P阱注入-光刻仏刻P阱掩摸板光刻4,刻P阱掩模板N-SUB6. 氮化硅的刻蝕計算過程；P阱有源區(qū)應與P阱相同I 1.5L1.5L L 4L 8 m 取為 9 mW 13 故 w 6 w 取 28 m L氮化硅的刻蝕*光刻2,刻有源區(qū)掩

13、瞳版SiO2掩模換7. 場氧的生長場氧的生長*光姫刻有源區(qū)掩圍&34SQ2Si3；N4掩模扳258. 去除氮化硅計算過程；I應略大于溝道長度故取為 m寬應與掩模板寬一致而上方寬度取 5 m不影響結果去除氮化硅*光刻h刻參扇硅掩庫版:Sum IIX丿Spin9. 柵氧的生長26重新生長二氧化硅（柵氧）光刻3刻多晶硅掩哎版2510.生長多晶硅生長多晶硅* 先鋤3,刻孝呂硅IftlS版Hzt11.刻蝕多晶硅I刻蝕多晶硅-光刻X刻參晶硅掩膜版27+離子注入Z十離子注入2.5(jrrim23+離子注入-光刻5,刻円離子注入掩膜版14.生長磷化硅玻璃PSGPSG15.光刻接觸孔計算過程；接觸孔模板

14、 源極長3 m故接觸孔長應小于3 m取2 m，寬取3 m光刻接觸孔16.刻鋁dih光刻6,刻接軸孔旅膜版光刻了，刻A1掩膜版17.鈍化保護層淀積鈍化層光刻8,刻壓焊孔掩膜版五. 工藝實施方案工-藝 步 驟工 藝 名 稱工 藝 目 的設計目標 結構參數(shù)工-藝 方 法工藝條件1襯底選擇得到襯底電阻率20 cm 晶向<100>2一次氧化 （外延）為形成P阱 提供掩蔽膜厚度：m干氧-濕 氧-干氧干氧 1200 r 10mi n 濕氧 1200r 20min 干氧 1200 r 10mi n3一次光刻為硼提供擴 散窗口電子束曝光正膠4一次離子 注入注入形成P 阱Rw 3300 yW離子注入5

15、一次擴散熱驅入達到 P阱所需深 度結深5 mNA 3 1016cm3有限表 面源擴 散T 1200 oC t 180mi n6二次氧化作為氮化硅 膜的緩沖層膜厚膜厚600?干氧氧化T 1200 oC t 9min7氮化硅膜 淀積作為光刻有 源區(qū)的掩蔽 膜膜厚1000?LP CVD8二次光刻為磷擴散提 供窗口電子束曝光正膠17. 鈍化保護層淀積五工藝實施方案工 藝 步 驟1工藝名稱 襯底選擇工藝目的 得到襯底設計目標結構參數(shù)電阻率 20 cm 晶向 <100>工 藝 方 法工藝條件2一次氧化為形成 p 阱厚度： m干氧 - 濕干氧1200 r10min（外延）提供掩蔽膜氧-干氧濕氧1

16、200 r20min干氧 1200r10min3一次光刻為硼提供擴電子束正膠散窗口曝光4一 次離 子注入形成 PRW 3300離子注注入阱 Tf U1 A f入5一次擴散熱驅入達到結深 5 m有限表T1200 oCP 阱所需深16 3面源擴t180minNA 3 1016 cm 3度M散6二次氧化作為氮化硅干氧氧T1200 oC膜的緩沖層膜厚膜厚 600?化t9min7氮 化硅 膜作為光刻有膜厚 1000?LPCVD淀積源區(qū)的掩蔽膜8二次光刻為磷擴散提電子束正膠供窗口曝光玻璃21六次光刻刻金屬化的 接觸孔22蒸鋁、刻鋁淀積Al-Si 合金，并形 成集成電路 的最后互連帀子束 曝光 濺射t lO

17、min正膠六、心得體會:通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關微電子技術方面的知識，在設計 過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了 原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。過而能改，善莫大焉。 在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。這次課程設 計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的指導下，終于游逆而解。 在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮， 一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做 的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而

18、不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收 獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！課程設計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是 一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時， 設計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了 CMOS器件的特性參數(shù)的計算以及它的工藝制作過程我認為，在這學期的課設中，不僅培養(yǎng)了獨立思考的能力，在各種其它能力上也都 有了提高。更重要的是，在課程設計過程中，我們學會了很多學習的方法。而這是日后 最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再 實踐

19、。這對于我們的將來也有很大的幫助。 以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂, 找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在 實驗結束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。回顧起此課程設計，至今我仍感慨頗多，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但 是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多 在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計我懂得了理論與實際相結合是很重要 的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中 得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在 設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。課程設計中，也對團隊精神的進行了考察，讓我們在合作起來更加默契，在成功后 一起體會喜悅的心情。果然是團結就是力量，只有互