微电子技术综合实践P阱CMOS芯片制作工艺设计

1、微电子技术综合实践设计报告题目：P阱CMO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日一7月8日成绩:貶场ft丿字XrAIM UNIVERSITY OF TECHNOLOGV一、设计要求31、设计任务32、特性指标要求33、结构参数参考值34、设计内容3二、MOS管的器件特性设计31、NMOS管参数设计与计算32、PMOS管参数设计与计算4三、工艺流程设计51、衬底制备52、初始氧化63、阱区光刻64、 P阱注入65、剥离阱区的氧化层66、热生长二氧化硅缓冲层67、LPCVD制备Si3N4介质6&有源区光刻：即第二次光刻79

2、、N沟MOSt场区光刻710、N沟MOSt场区P+注入711、局部氧化812、剥离Si3N4层及SiO2缓冲层813、热氧化生长栅氧化层814、P沟MOSt沟道区光刻815、P沟MOSt沟道区注入816、生长多晶硅817、刻蚀多晶硅栅818、涂覆光刻胶919、刻蚀P沟MOSt区域的胶膜920、注入参杂P沟MOS管区域921、涂覆光刻胶922、刻蚀N沟MOS管区域的胶膜923、注入参杂N沟MOS管区域924、生长PSG925、引线孔光刻1026、真空蒸铝1027、铝电极反刻10四、P阱光刻版111.氧化生长112.曝光123.氧化层刻蚀12阱注入135.形成P阱136.氮化硅的刻蚀147.场氧的

3、生长148.去除氮化硅159.栅氧的生长1610.生长多晶硅1611.刻蚀多晶硅17+离子注入17+离子注入1714.生长磷化硅玻璃PSG1815.光刻接触孔1816.刻铝1917.钝化保护层淀积20五、工艺头施方案20六、心得体会22七、参考资料23一.设计要求:1、设计任务：N阱CMO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=,漏极饱和电流I Dsat> 1mA,漏源饱和电压VDsat< 3V,漏源击穿电压 BD=35V,栅源击穿电压 BGs> 25V,跨导gm> 2mS,截止频率fmax >3GHz（迁移率卩 n=600cm/V

4、 s）p沟多晶硅栅MOSFET阈值电压Vrp= -1V,漏极饱和电流I Dsat> 1mA,漏源饱和电压VDsatW 3V,漏源击穿电压 BV=35V,栅源击穿电压 BGs> 25V，跨导gm> ,截止频率fmax > 1GHz（迁移率卩 p=220cnT/V s）3、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600 ?;氮化硅膜厚约为1000 ?;P阱掺杂后的方块电阻为3300 /，结深为56NMO管的源、漏区磷掺杂后的方块电阻为25 /PMO管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25 /，结深为-m ；场氧化层厚度为1 m ;栅氧化层厚度为500

5、 ?;多晶硅栅厚度为 4000 5000 ?。4、设计内容1 、MOS管的器件特性参数设计计算；2 、确定P阱CMO®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CMO®片制作的工艺实施方案（包括工艺流程、方法、二. MOS管的器件特性设计1、NMO管参数设计与计算: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则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阈值电压Vtp(|QsD(max) |Qss)2 fn msoxQsD(max)eNAxdTxd-r(4 s fn)/2eNAfn KTln(N)eriims1.1V取Nd发现当Nd1017cm3时Vtp1.O5V符合要求,又BVds得L 0.7 m2、PMO管参数设计与计算: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故可得宽长比:wL4.51由gmI DVGSW(Vgs Vt)2ms可得宽长比:WW 13.51LWL13.51fmaxn(VGS2 L23GHzL 3.1 mVtn1 QsD(max) Qss 丨2 fpoxms取nmos衬底浓度为1.4 1016cm3查出功函数差与掺杂浓度的关系可知:ms 1.12Vfp a(也)e njqQss 1.6 10 8%m2QsD(max)eNDxdTxd-r取Na发现当Na2.8106cm 3 时；Vtn 0.045V符合要求又BVdsL2 sBVdsl QNa1.23 m故取L 2Wm14L.工艺流程分析约为20Q ?CM

8、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CMO集成电路的制造工艺流程序列的 第一次氧化。J衬底N-Si3、阱区光刻。是该款P阱硅栅CMO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SiO2IN-Si4、P阱注入。是该P阱硅栅COM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。P-wellN-sub5、

9、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。综合三个步骤如下图Si3N49、N沟MOS?场区光刻。即第三次光刻，以光刻胶作为掩蔽层，刻蚀出 N沟most的场区注入窗口。10、N沟MOS?场区P+注入：第二次注入。N沟most场区P+勺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一半接触特性有所改善。 综合9, 10两个步骤如图光刻胶P-

10、N-Si11、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MOSt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， 综合13,14,15三个步骤如图该过程要求调解 P沟MOS管的开启电压。PB+1 1F ' 1r 'N-Si16、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most区域的胶膜

11、：第六次光刻p+保护环。20、注入参杂P沟MOSt区域：第五次注入，形成CMOS!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 综合三个步骤如图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most区域：第六次注入，形成N沟most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+呆护环。24、生长磷硅玻璃PSG综合四个步骤如图光刻胶PN-SiPSG25、引线孔光刻：第八次光刻，如图PSG26、真空蒸铝。27、铝电极反刻：第九次光刻 综合两个步骤如图AlVDDINrCOUT至此典型的P阱硅栅CMO反相器单元的管芯制造工艺

12、流程就完场了。四. P阱光刻板计算过程；P沟：LN沟：LWLWL141328 m26 m1.5L3 m1.5L3 m对于掩模板l 2实际取值应稍大于所以1.氧化生长故最终l 9 m w 28 m氧化层生长-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/掩模板光刻胶氧化层的刻蚀光刻仏刻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. 氮化硅的刻蚀计算过程；P阱有源区应与P阱相同I 1.5L1.5L L 4L 8 m 取为 9 mW 13 故 w 6 w 取 28 m L氮化硅的刻蚀*光刻2,刻有源区掩

13、瞳版SiO2掩模换7. 场氧的生长场氧的生长*光姫刻有源区掩圍&34SQ2Si3；N4掩模扳258. 去除氮化硅计算过程；I应略大于沟道长度故取为 m宽应与掩模板宽一致而上方宽度取 5 m不影响结果去除氮化硅*光刻h刻参扇硅掩庫版:Sum IIX丿Spin9. 栅氧的生长26重新生长二氧化硅（柵氧）光刻3刻多晶硅掩哎版2510.生长多晶硅生长多晶硅* 先鋤3,刻孝吕硅IftlS版Hzt11.刻蚀多晶硅I刻蚀多晶硅-光刻X刻參晶硅掩膜版27+离子注入Z十离子注入2.5(jrrim23+离子注入-光刻5,刻円离子注入掩膜版14.生长磷化硅玻璃PSGPSG15.光刻接触孔计算过程；接触孔模板

14、 源极长3 m故接触孔长应小于3 m取2 m，宽取3 m光刻接触孔16.刻铝dih光刻6,刻接軸孔旅膜版光刻了，刻A1掩膜版17.钝化保护层淀积钝化层光刻8,刻压焊孔掩膜版五. 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衬底选择得到衬底电阻率20 cm 晶向<100>2一次氧化 （外延）为形成P阱 提供掩蔽膜厚度：m干氧-湿 氧-干氧干氧 1200 r 10mi n 湿氧 1200r 20min 干氧 1200 r 10mi n3一次光刻为硼提供扩 散窗口电子束曝光正胶4一次离子 注入注入形成P 阱Rw 3300 yW离子注入5

15、一次扩散热驱入达到 P阱所需深 度结深5 mNA 3 1016cm3有限表 面源扩 散T 1200 oC t 180mi n6二次氧化作为氮化硅 膜的缓冲层膜厚膜厚600?干氧氧化T 1200 oC t 9min7氮化硅膜 淀积作为光刻有 源区的掩蔽 膜膜厚1000?LP CVD8二次光刻为磷扩散提 供窗口电子束曝光正胶17. 钝化保护层淀积五工艺实施方案工 艺 步 骤1工艺名称 衬底选择工艺目的 得到衬底设计目标结构参数电阻率 20 cm 晶向 <100>工 艺 方 法工艺条件2一次氧化为形成 p 阱厚度： m干氧 - 湿干氧1200 r10min（外延）提供掩蔽膜氧-干氧湿氧1

16、200 r20min干氧 1200r10min3一次光刻为硼提供扩电子束正胶散窗口曝光4一 次离 子注入形成 PRW 3300离子注注入阱 Tf U1 A f入5一次扩散热驱入达到结深 5 m有限表T1200 oCP 阱所需深16 3面源扩t180minNA 3 1016 cm 3度M散6二次氧化作为氮化硅干氧氧T1200 oC膜的缓冲层膜厚膜厚 600?化t9min7氮 化硅 膜作为光刻有膜厚 1000?LPCVD淀积源区的掩蔽膜8二次光刻为磷扩散提电子束正胶供窗口曝光玻璃21六次光刻刻金属化的 接触孔22蒸铝、刻铝淀积Al-Si 合金，并形 成集成电路 的最后互连帀子束 曝光 溅射t lO

17、min正胶六、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

18、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

19、。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