模拟集成电路 CMOS技术

《模拟集成电路 CMOS技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟集成电路 CMOS技术（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、LOGOCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计黑龙江大学黑龙江大学 电子工程学院电子工程学院 集成电路设计与集成系统集成电路设计与集成系统李志远李志远 2015目录CMOS技术简介1基本MOS半导体制造工艺(重点)2pn结3 3MOS晶体管4 4无源器件3 5集成电路版图4 6CMOS技术的其他考虑 CMOS技术简介集成电路技术集成电路技术？集成电路集成电路：采用半导体或薄膜、厚膜工艺，把电路元器件以相互不可不可 分离分离的状态制作在一块一块（或几块）半导体（或绝缘材料）基片上，然 后封装在一个壳体内，构成一个完整的具有一定功能一定功能的电子电路。授课

2、目的授课目的： (1)掌握基本工艺流程掌握基本工艺流程 (2)掌握流程中每块光刻掩膜版对器件结构形成的作用掌握流程中每块光刻掩膜版对器件结构形成的作用 (3)深刻领会集成电路中的各个器件是在同时制作深刻领会集成电路中的各个器件是在同时制作 CMOS技术简介CMOS工艺是将工艺是将NMOS器件和器件和PMOS器件同时器件同时制作在同一硅衬底上的工艺制作在同一硅衬底上的工艺， 已成为当前超大已成为当前超大规模集成电路规模集成电路（VLSI）中的主流技术中的主流技术，通常有通常有P阱阱CMOS工艺工艺、N阱阱CMOS工艺工艺和双阱和双阱CMOS工艺工艺。不同厂家不同厂家、不同工艺线构成很多不同的不同

3、工艺线构成很多不同的CMOS工艺序列工艺序列 。CMOS技术简介IC工艺技术对模拟IC设计的影响 器件的精度影响信号处理的精度 动态范围依赖于电路的线性度和噪声 器件大小受芯片面积限制 器件大小受芯片面积限制 IC工艺技术引进阻性、容性和感性寄生 效应，导致设计结果与预期效果偏离 模拟电路的性能也受到同一衬底其他电 路的影响。CMOS技术简介Si工艺的分类为什么选用CMOS工艺？CMOS技术简介现代CMOS工艺CMOS技术简介Deep n-well可以减小衬底噪声耦合MOS变容二极管可以应用与VCOs至少6层金属可以形成很多更有用的结构，如电感、电容、传输线等0.13um CMOS工艺2.1

4、基本MOS半导体制造工艺基本步骤 氧化 扩散 离子注入 沉积 沉积 刻蚀 浅沟隔离 外延生长 光刻：通过光刻依据上述步骤实现对硅晶 体的部分区域进行加工。2.1 基本MOS半导体制造工艺氧化氧化（第一步）：在硅晶圆的表面形成SiO2的工艺。 氧化物在硅表面生长的同时也深入到硅的内部。作用：形成绝缘层，保护材料薄氧化物（1001000）通常用干氧化技术，厚氧化物（1000)用湿氧 化技术2.1 基本MOS半导体制造工艺扩散扩散：一种杂质原子由材料表面向材料内部运动的过程。表面无穷杂质源情形杂质分布是扩散时间的函数表面有限杂质源情形随着时间的增加，表面杂质的浓度减小NB半导体 扩散前的 杂质浓度2

5、.1 基本MOS半导体制造工艺离子注入离子注入：特殊掺杂物（杂质）的离子由电场 加速至很高的速度并注入半导体材料中的工艺。每个离子的路径取决于它的碰撞经历可以用离子注入代替扩散：具有精确控制、重复性好、室温工 艺、可以通过薄层注入等优势。2.1 基本MOS半导体制造工艺沉积沉积：把不同材料的薄膜层沉积到硅晶圆上。 蒸发沉积：在真空中完成 溅射沉积：在真空中完成 化学气相沉积：大气压力下完成 刻蚀刻蚀：去除被暴露材料（未保护）的工艺。刻蚀刻蚀：去除被暴露材料（未保护）的工艺。选择性：只除去希望除去的层，不 影响其他层。各向异性：刻蚀本身在同一方向的 特性。选择性SA-B=期望层的刻蚀率（A)/不

6、期望层的刻蚀率（B）各向异性程度A=1-横向刻蚀率/垂直刻蚀率2.1 基本MOS半导体制造工艺浅沟隔离 在晶圆表面覆盖垫底氧化层及沉积氮化层 首先刻蚀垫底氧化层及沉积氮化层。然后， 各向异性刻蚀硅深度至0.40.5um. 沿沟壁生长一薄层热氧化物层 应用化学气相沉积填充浅沟 化学机械抛光，抛去多余层，抛到沉积氮化层 在900使介质材料致密，然后剥去垫底氧化层 及沉积氮化层2.1 基本MOS半导体制造工艺外延生长 目的：用同质材料形成具有不同的掺杂种类及浓度， 因而具有不同性能的单晶薄膜层。 伴随化学反应：如SiHxCl4-X+H2Si(固）+HCl（气）2.1 基本MOS半导体制造工艺光刻：

7、实现对硅晶体的部分区域进行加工。是将版图转换到晶圆 上的过程。 基本单元：光刻胶材料和光掩膜。 光刻胶：一种曝露在紫外光下就会改变特性的有机聚合体 光刻胶：一种曝露在紫外光下就会改变特性的有机聚合体 ，分为正性和负性两种。 正性正性：制作有图形存在制作有图形存在（紫外光无法穿透紫外光无法穿透）区域的掩膜版区域的掩膜版。如果如果 利用正性光刻胶利用正性光刻胶，那么在紫外线下曝光的区域会随溶剂去除那么在紫外线下曝光的区域会随溶剂去除，留留 下未曝光的部分下未曝光的部分 负性负性：制作无图形存在制作无图形存在（紫外光可以穿透紫外光可以穿透）区域的掩膜版区域的掩膜版。如果如果 利用负性光刻胶利用负性光

8、刻胶，那么曝光部分将不受溶剂影响那么曝光部分将不受溶剂影响，而未曝光部分而未曝光部分 将被去除将被去除。 光掩膜：用来使光刻胶的一些区域曝露在紫外光下，而另 一些则被遮掩保护起来。2.1 基本MOS半导体制造工艺光刻 步骤：1）将光刻胶均匀涂在材料表面；2）软烘干， 去除溶胶；3）有选择的曝光；4）显影（曝光和选择 性去除光刻胶的过程）；5）硬烘干（硬化的光刻胶保 护被选择的区域。当保护完成后，去除光刻胶）光掩膜版光刻胶正性光刻胶确定多晶硅图形的基本光刻流程N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （1 1）衬底准备衬底准备P P型单晶片型单晶片2.1 基本MOS半导

9、体制造工艺P P+ +/P/P外延片外延片P P型单晶片型单晶片N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （2 2）氧化氧化（薄氧薄氧+生长生长Si3N4）、）、光刻光刻N-阱阱(nwell)2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （3 3） N-阱注入阱注入，N-阱推进阱推进，退火退火，清洁表面清洁表面2.1 基本MOS半导体制造工艺N阱 P-SubN阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （4 4）长薄氧长薄氧、长氮化硅长氮化硅、光刻场区光刻场区(active反版反版)

10、2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （5 5）场区氧化场区氧化（LOCOS）, 清洁表面清洁表面 (之前可做之前可做N管场区注入管场区注入和和P管场区注入管场区注入，提高场开启提高场开启；改善衬底和阱的接触改善衬底和阱的接触，减少闩减少闩 锁效应锁效应）2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （6 6）栅氧化栅氧化,淀积多晶硅淀积多晶硅，多晶硅多晶硅N+掺杂掺杂，反刻多晶反刻多晶 （polysiliconpoly)（之前可之前可 作开启电压作开

11、启电压VTN调整注入调整注入）2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （7 7） 光刻光刻P+ active注入区注入区（Pplus ），）， P+注入注入， （ 硅栅自对准硅栅自对准）2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubP-SubP-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （8 8）光刻光刻N+ active注入区注入区（Nplus Pplus的反版的反版），）， N+注入注入， （ 硅栅自对准硅栅自对准）2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubP-SubP-SubN阱N阱

12、硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （9 9）淀积淀积BPSG，光刻接触孔光刻接触孔(contact)，回流回流2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubP-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （1010）蒸镀金属蒸镀金属1，反刻金属反刻金属1（metal1)2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （1111）绝缘介质淀积绝缘介质淀积，平整化平整化，光刻通孔光刻通孔(via)2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubP-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS

13、工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （1212）蒸镀金属蒸镀金属2，反刻金属反刻金属2（metal2)2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程主要流程(分步图示分步图示) （1313）钝化层淀积钝化层淀积，平整化平整化，光刻钝化窗孔光刻钝化窗孔(pad)2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN阱N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺主要流程汇总主要流程汇总场区光场区光 刻刻衬底准衬底准 备备生长生长SiO2和和 Si3N4N阱光刻阱光刻、注入注入、 推进推进生长生长SiO2和和 Si3N4N管场区光刻管场区光刻、 注入注入阈值电压调整区光刻阈值

14、电压调整区光刻、 注入注入清洁有源区表面清洁有源区表面、 长栅氧长栅氧场区氧化场区氧化(局部局部 氧化氧化)2.1 基本MOS半导体制造工艺多晶淀积多晶淀积、参杂参杂、 光刻光刻N管管LDD光刻光刻、 注入注入P+有源区光刻有源区光刻、 注入注入P管管LDD光刻光刻、 注入注入N+有源区光刻有源区光刻、 注入注入BPSG淀淀 积积接触孔光接触孔光 刻刻N+接触孔光刻接触孔光刻、 注入注入淀积金属淀积金属1、反反 刻刻淀积绝缘介淀积绝缘介 质质通孔孔光通孔孔光 刻刻淀积金属淀积金属2、 反刻反刻淀积钝化层淀积钝化层、 光刻光刻侧墙氧化物淀积侧墙氧化物淀积、侧侧 墙腐蚀墙腐蚀N阱硅栅阱硅栅CMOS

15、工艺工艺 光刻掩膜版汇总简图光刻掩膜版汇总简图N阱阱有源区有源区多晶多晶PplusNplus引线孔引线孔金属金属1通孔通孔金属金属2 钝化孔钝化孔2.1 基本MOS半导体制造工艺N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺（正视版图正视版图）2.1 基本MOS半导体制造工艺局部氧化的作用局部氧化的作用2. 减缓表面台阶减缓表面台阶1. 提高场区阈值电压提高场区阈值电压2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN-阱阱场区注入的作用场区注入的作用1. 提高场区阈值电压提高场区阈值电压（有利于减小场氧化层厚度有利于减小场氧化层厚度， 降低表面台阶降低表面台阶）2. 有利于抑制闩锁效应有利于抑制闩锁效应2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN-阱阱硅栅自对准硅栅自对准在在硅栅形成硅栅形成后后，利用硅栅的遮蔽作用来形成利用硅栅的遮蔽作用来形成MOS管管的沟道区的沟道区，使使MOS管的沟道尺寸更精确管的沟道尺寸更精确，寄生电容更小寄生电容更小。2.1 基本MOS半导体制造工艺P-SubN-阱阱MOS管衬底电极的引出管衬底电极的引出NMOS管和管和PMOS管的衬底电极都从上表面引出管的衬底电极都从上表面引出， 由于由于P-Sub和和N阱的参杂浓度都较低阱的参杂浓度都