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CMOS工艺及其工艺流程

CMOS工艺及其工艺流程

CMOS工艺及其工艺流程
   硅双极工艺面世后约3年时间,于1962年又开发出硅平面MOS工艺技术,并制成了MOS集成电路。与双极集成电路相比,MOS集成电路的功耗低、结构简单、集成度和成品率高,但工作速度较慢。由于它们各具优劣势,且各自有适合的应用场合,双极集成工艺和MOS集成工艺便齐头平行发展。
   从MOS工艺集成技术发展历史上看,也经历了从简单到复杂的发展过程,如陆续推出了p沟硅栅MOS工艺、p沟铝栅MOS工艺、n沟硅栅MOS工艺、n沟硅栅E/DMOS工艺、高性能短沟MOS(HMOS)工艺等,它们都各具优劣势,在不同时期、不同领域得到了应用。
   随着集成电路的集成度提高,功耗问题日益突出,普通MOS工艺已不能满足大规模和超大规模集成系统制造的需要,于是早在1963年开发出的硅CMOS集成工艺终于有了广泛应用的机会。虽然CMOS工艺比NMOS工艺复杂,早期的CMOS器件性能也较差,但CMOS器件的功耗极低,集成度也高,用以制造数字LSI和VLSI集成电路可很好地解决最迫切的功耗问题,因而在数字LSI和VLSI集成电路的制造中首先得到广泛应用,并得到快速发展,特别是自20世纪80年代以来,更成为CPU、RAM、ROM等VLSI的主导制造工艺,并替代了NMOS工艺。
   CMOS器件,是NMOS和PMOS晶体管形成的互补结构,电流小,功耗低,早期的CMOS电路速度较慢,后来不断得到改进,现已大大提高了速度。
   CMOS器件也有不同的结构,如铝栅和硅栅CMOS、以及p阱、n阱和双阱CMOS。铝栅CMOS和硅栅CMOS的主要差别,是器件的栅极结构所用材料的不同。P阱CMOS,则是在n型硅衬底上制造p沟管,在p阱中制造n沟管,其阱可采用外延法、扩散法或离子注入方法形成。该工艺应用得最早,也是应用得最广的工艺,适用于标准CMOS电路及CMOS与双极npn兼容的电路。N阱CMOS,是在p型硅衬底上制造n沟晶体管,在n阱中制造p沟晶体管,其阱一般采用离子注入方法形成。该工艺可使NMOS晶体管的性能最优化,适用于制造以NMOS为主的CMOS以及E/D-NMOS和p沟MOS兼容的CMOS电路。双阱CMOS,是在低阻n+衬底上再外延一层中高阻n――硅层,然后在外延层中制造n阱和p阱,并分别在n、p阱中制造p沟和n沟晶体管,从而使PMOS和NMOS晶体管都在高阻、低浓度的阱中形成,有利于降低寄生电容,增加跨导,增强p沟和n沟晶体管的平衡性,适用于高性能电路的制造。
   随着整机系统继续向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展,对集成电路的要求越来越高,不断推动着集成电路工艺技术的迅速发展,目前先进的硅CMOS集成工艺已进入90纳米和65纳米领域。随着亚微米、深亚微米、纳米CMOS工艺技术的发展,为数字电路提供了更快、更大密度的电路集成,也为模拟电路提供了更高性能的模拟开关和模拟电路应用的多晶硅-氧化物-多晶硅电容,加上CMOS工艺简单、功耗低、集成度高、芯片尺寸小、成本低等特点,CMOS工艺不仅是数字电路的主导工艺技术,而且已不断在模拟和混合信号电路集成中得到应用,如含有模拟和数字电路的微控制器从20世纪90年代中期以来已全部采用CMOS工艺制造,自2003年以来CMOS工艺也成为一些通用低功耗A/D转换器的主流制造工艺。
   无线通讯系统由高频和中频模拟电路及数字信号处理电路构成。过去,一般高频模拟电路部分采用GaAs或硅双极工艺技术制造,中频模拟电路部分采用硅BiCMOS工艺技术制造,其它(如DSP)采用硅CMOS工艺技术制造。但是,由于现代通讯系统涉及到声音、数据、图像等多媒体信息,如果继续采用这种制造模式来实现高频、低功耗、低噪声、低失真、小型化、低价格等性能特点的通讯系统电路,已远远不能满足应用需要。因此,推动了工艺集成技术的继续发展和竞争。随着CMOS工艺技术的快速进步,在新的技术竞争中,硅CMOS集成工艺已成为最具综合技术优势的竞争对手之一。
以铝栅CMOS为例说明其工艺流程如下:
(1) 准备n型硅片,用以制造NMOS和PMOS晶体管。
(2) 使用湿氧化方法,在硅片上生长设定厚度(如约0.6微米)的二氧化硅层,作为制造p型区的掩蔽层。随后光刻p型区。
(3) 光刻出NMOS晶体管的p阱区和PMOS晶体管的源、漏区后,使用氮化硼片作掺杂源进行硼预淀积。
(4) 在淀积硼以后,进行杂质推进扩散,形成NMOS晶体管的p阱,在推进扩散的同时,也进行干氧化,接着进行湿氧化预定时间(如20分钟),该二氧化硅层作为光刻n型区的掩蔽层。
(5) 光刻出n型掺杂区,然后进行磷掺杂扩散,形成NMOS晶体管的源、漏区;
(6) 在磷扩散以后,进行湿氧化预定时间(如20分钟),该二氧化硅层用以制造NMOS和PMOS栅氧化区的的掩蔽层;
(7) 光刻出NMOS和PMOS晶体管的栅区,然后使用干氧化方法,生成设定厚度的栅二氧化硅层(如约45纳米)。在金属化之前,采用腐蚀方法去除一些二氧化硅层,保留适当厚度(如15~30纳米)的二氧化硅层;
(8) 光刻出金属电极接触区。
(9) 在蒸发金属铝之前,需以预定腐蚀速率(如每分100纳米)腐蚀预定时间(如10~12妙),去除接触区自然生成的二氧化硅层,同时栅二氧化硅层也被去除了预定厚度(如约20纳米),然后蒸发或溅射铝金属;
(10) 光刻出金属电极接触区,用以使器件与引线焊接点连接;
(11) 在低温(如400 0C)下,退火预定时间(如10分钟);
(12) 钝化、引线键合、封装、可靠性实验筛选、测试等步骤后即得到集成电路产品。

N阱硅栅CMOS工艺流程
初始氧化

光刻1,刻N阱

N阱形成

Si3N4淀积

光刻2,刻有源区,场区硼离子注入

场氧1

光刻3

场氧2

栅氧化,开启电压调整

多晶硅淀积

光刻4,刻NMOS管硅栅,
磷离子注入形成NMOS管

光刻5,刻PMOS管硅栅,
硼离子注入及推进,形成PMOS管

磷硅玻璃淀积

光刻6,刻孔、磷硅玻璃淀积回流(图中有误,没刻出孔)

蒸铝、光刻7,刻铝、
光刻8,刻钝化孔
继承事业,薪火相传
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