微电子技术综合实践P阱CMOS芯片制作工艺设计.docx

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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

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9

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、11

1.氧化生长11

2.曝光12

3.氧化层刻蚀12

阱注入13

5.形成P阱13

6.氮化硅的刻蚀14

7.场氧的生长14

8.去除氮化硅15

9.栅氧的生长16

10.生长多晶硅16

11.刻蚀多晶硅17

＋离子注入17

+离子注入17

14.生长磷化硅玻璃PSG18

15.光刻接触孔18

16.刻铝19

17.钝化保护层淀积20

0

六、心得体会22

七、参考资料23

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=,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≥,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20

；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5~6

；

NMOS管的源、漏区磷掺杂后的方块电阻为25?

/?

，结深为~

；

PMOS管的源、漏区硼掺杂后的方块电阻为25?

/?

，结深为~

；

场氧化层厚度为1

；栅氧化层厚度为500?

；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

得

?

则

得

再由

，式中（VGS-VT）≥VDS（sat），得

又

，得

阈值电压

取

发现当

时

符合要求,又

得

2、PMOS管参数设计与计算：

因为

其中，

6×

，

所以

?

饱和电流：

，式中（VGS-VT）≥VDS（sat），

IDsat≥1mA故可得宽长比：

由

可得宽长比：

取nmos衬底浓度为

查出功函数差与掺杂浓度的关系可知：

取

发现当

时；

符合要求又

可知

故取

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。

8、有源区光刻：

即第二次光刻

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

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。

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。

25、引线孔光刻：

第八次光刻，如图

26、真空蒸铝。

27、铝电极反刻：

第九次光刻

综合两个步骤如图

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。

4．P阱光刻板

计算过程；P沟：

N沟：

对于掩模板

实际取值应稍大于所以

故最终

1.氧化生长

2.曝光

3.氧化层刻蚀

阱注入

5.形成P阱

6.氮化硅的刻蚀

计算过程；P阱有源区应与P阱相同

取为9

故

取28

7.场氧的生长

8.去除氮化硅

计算过程；

应略大于沟道长度故取为

宽应与掩模板宽一致而上方宽度取5

不影响结果

9.栅氧的生长

10.生长多晶硅

11.刻蚀多晶硅

＋离子注入

+离子注入

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3

故接触孔长应小于3

取2

，宽取3

16.刻铝

17.钝化保护层淀积

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℃10min

湿氧1200℃20min

干氧1200℃10min

3

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

离子注入

5

一次扩散

热驱入达到P阱所需深度

结深5?

m

有限表面源扩散

6

二次氧化

作为氮化硅膜的缓冲层

膜厚膜厚600?

干氧氧化

7

氮化硅膜淀积

作为光刻有源区的掩蔽膜

膜厚1000?

LPCVD

8

二次光刻

为磷扩散提供窗口

电子束曝光

正胶

9

场氧一

利用氮化硅的掩蔽，在没有氮化硅、经

离子注入的区域生成一层场区氧化层

厚度1000?

湿氧氧化

，

95℃水温。

10

三次光刻

除去P阱中有源区的氮化硅和二氧化硅层

电子束曝光

正胶

11

场氧二

生长场氧化层

厚度约为1微米

湿氧氧化

12

二次离子注入

调整阈值电压

表面浓度

结深

方块电阻

注入P+

13

栅极氧化

形成栅极氧化层

厚度500?

干氧

14

多晶硅淀积

淀积多晶硅层

厚度4000?

LPCVD

T=600℃

15

四次光刻

形成PMOS多晶硅栅，并刻出PMOS有源区的扩散窗口

电子束曝光

正胶

16

三次离子注入

形成PMOS有源区

表面浓度

结深

方块电阻

注入B+

17

五次光刻

形成NMOS多晶硅栅，并刻出NMOS有源区的扩散窗口

电子束曝光

正胶

18

四次离子注入

形成NMOS有源区

峰值浓度

结深

方块电阻

注入P+

19

二次扩散

达到所需结深

结深

表面浓度

热驱入

950℃t=12min

20

淀积磷硅玻璃

保护

LPCVD

21

六次光刻

刻金属化的接触孔

电子束曝光

正胶

22

蒸铝

、

刻铝

淀积Al-Si合金，并形成集成电路的最后互连

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，任明远编着，《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，林涛编着《集成电路制程设计与工艺仿真》，电子工业出版社，2011

3、DonaldA.Neamen着，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