CMOS集成电路工艺 体硅CMOS工艺设计中阱工艺的选择

出处:音乐乐乐 发布于:2007-04-29 10:20:13

(1) p阱工艺
实现CMOS电路的工艺技术有多种。CMOS是在PMOS工艺技术基础上于1963年 发展起来的,因此采用在n型衬底上的p阱制备NMOS器件是很自然的选择。由于氧化层中正电荷的作用以及负的金属(铝)栅与衬底的功函数差,使得在没有沟道离子注入技术的条件下,制备低阈值电压()的PMOS器件和增强型NMOS器件相当困难。于是,采用轻掺杂的n型衬底制备PMOS器件,采用较高掺杂浓度扩散的p阱做NMOS器件,在当时成为的工艺组合。

考虑到空穴的迁移率比电子迁移率要低近2倍多,且迁移率的数值是掺杂浓度的函数(轻掺杂衬底的载流子迁移率较高)。因此,采用p阱工艺有利于CMOS电路中两种类型器件的性能匹配,而尺寸差别较小。p阱CMOS经过多年的发展,已成为成熟的主要的CMOS工艺。与NMOS工艺技术一样,它采用了硅栅、 等平面和全离子注入技术。


(2) n阱工艺
为了实现与LSI的主流工艺增强型/耗层型(E/D)的完全兼容,n阱CMOS工艺得到了重视和发展。它采用E/D NMOS的相同的p型衬底材料制备NMOS器件,采用离子注入形成的n阱制备PMOS器件,采用沟道离子注入调整两种沟遭器件的阈值电压。
n阱CMOS工艺与p阱CMOS工艺相比有许多明显的优点。首先是与E/D NMOS工艺完全兼容,因此,可以直接利用已经高度发展的NMOS工艺技术;其次是制备在轻掺杂衬底上的NMOS的性能得到了化--保持了高的电子迁移率,低的体效应系数,低的n+结的寄生电容,降低了漏结势垒区的电场强度,从而降低了电子碰撞电离所产生的电流等。这个优点对动态CMOS电路,如时钟CMOS电路,多米诺电路等的性能改进尤其明显。

这是因为在这些动态电路中仅采用很少数目的PMOS器件,大多数器件是NMOS型。另外由于电子迁移率较高,因而n阱的寄生电阻较低;碰撞电离的主要来源—电子碰撞电离所产生的衬底电流,在n阱CMOS中通过较低寄生电阻的衬底流走。而在p阱CMOS中通过p阱较高的横向电阻泄放,故产生的寄生衬底电压在n阱CMOS中比p阱要小。在n阱CMOS中寄生的纵向双极型晶体管是PNP型,其发射极电流增益较低,n阱CMOS结构中产生可控硅锁定效应的几率较p阱为低。由于n阱CMOS的结构的工艺步骤较p阱CMOS简化,也有利于提高集成密度.例如由于磷在场氧化时,在n阱表面的分凝效应,就可以取消对PMOS的场注入和隔离环。
杂质分凝的概念:
杂质在固体-液体界面上的分凝作用 ~ 再结晶层中杂质的含量决定于固溶度
→ 制造合金结(突变结);
杂质在固体-固体界面上也存在分凝作用 ~ 例如,对Si/SiO2界面:硼的分凝系数约为3/10,磷的分凝系数约为10/1;这就是说,掺硼的Si经过热氧化以后, Si表面的硼浓度将减小,而掺磷的Si经过热氧化以后, Si表面的磷浓度将增高)。

n阱CMOS基本结构中含有许多性能良好的功能器件,对于实现系统集成及接口电路也非常有利。图A (a)和(b)是p阱和n阱CMOS结构的示意图。

N阱硅栅CMOS IC的剖面图

(3) 双阱工艺
双阱CMOS采用高浓度的n+衬底,在上面生长高阻r外延层,并在其上形成n阱和p阱。它有利于每种沟道类型的器件性能化,且因存在低阻的通道,使可控硅锁闩效应受到抑制。图A(c)是双阱CMOS结构示意图。为理想的CMOS结构应该是绝缘衬底上的CMOS技术(SOI/CMOS)。它彻底消除了体硅CMOS电路中的“可控硅锁闩”效应,提高抗辐射能力并有利于速度和集成度的提高。


SOI/CMOS电路
利用绝缘衬底的硅薄膜(Silicon on Insulator)制作CMOS电路,能彻底消除体硅CMOS电路中的寄生可控硅结构。能大幅度减小PN结面积,从而减小了电容效应。这样可以提高芯片的集成度和器件的速度。下图示出理想的SOI/CMOS结构。SOI结构是针对亚微米CMOS器件提出的,以取代不适应要求的常规结构和业已应用的兰宝石衬底外延硅结构(SOS-Silicon on Sapphire结构)。SOI结构在高压集成电路和三维集成电路中也有广泛应用。
Silicon On Insulator (SOI)


SOI/CMOS工艺步骤如下,生长清洁氧化层厚1μm,淀积多晶硅层厚500nm,激光再结晶,刻有源区岛,n沟衬底注入,p沟衬底注入,栅氧化,生长栅多晶硅与刻蚀,p沟源漏注入,n沟源漏注入,淀积SiO2,刻接触孔.蒸铝及刻铝,合金,钝化。其中清洁氧化、栅氧化、源漏注入较为关键。
1. P阱硅栅CMOS工艺和元件的形成过程
1、光刻I---阱区光刻,刻出阱区注入孔
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
2、阱区注入及推进,形成阱区

3、去除SiO2,长薄氧,长Si3N4

4、光II---有源区光刻

5、光III---N管场区光刻,N管场区注入,以提高场开启,减少闩锁效应及改善阱的接触。

6、长场氧,漂去SiO2 及Si3N4,然后长栅氧化层。

7、光Ⅳ---p管场区光刻(用光I的负版),p管场区注入, 调节PMOS管的开启电压,然后生长多晶硅。

8、光Ⅴ---多晶硅光刻,形成多晶硅栅及多晶硅电阻

9、光Ⅵ---P+区光刻,P+区注入。形成PMOS管的源、漏区及P+保护环。

10、光Ⅶ---N管场区光刻,N管场区注入,形成NMOS的源、漏区及N+保护环。

11、长PSG(磷硅玻璃)。

12、光刻Ⅷ---引线孔光刻。PGS回流。

13、光刻Ⅸ---引线孔光刻(反刻AL)。
光刻Ⅹ---压焊块光刻。
2. N阱硅栅CMOS工艺

3. 双阱硅栅CMOS工艺
1.3 Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路,它结合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高集成度、低功耗的优点,使它们互相取长补短、发挥各自优点,制造高速、高集成度、好性能的VLSI。




  来源:零八我的爱

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