MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应课件.ppt

1、C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)双极晶体管的四种工作状态双极晶体管的四种工作状态VBCVBE饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区pnp截止截止Pnp正向放大正向放大u基本要求基本要求2022-12-20ECBS2022-12-20基本知识点u双极晶体管的结构特点u集成双极晶体管的结构u隐埋层的作用u电隔离的概念u寄生晶体管2022-12-206第3章MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应2022-12-20MOS晶体管的结构特点？MOS晶体管如何在硅片上集成？本章设问：器件结构如何实现（步骤）实现过程（步骤）与NMOS（or PMOS）工艺的实现有什么

2、不同？寄生效应？CMOS集成电路有哪些寄生效应？寄生效应对器件性能的影响？如何减小寄生效应的影响？CMOS晶体管如何在硅片上集成？实现过程（步骤）需要用到哪些方法？与单器件的实现有什么不同？与双极工艺有什么不同？源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)MOSFET的基本结构的基本结构绝缘层（绝缘层（SiO2）漏极漏极n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）源极源极绝缘层（绝缘层（SiO2）漏极漏极p+p+N型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）源极源极源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)NMOSPMOSMOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是

3、一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的n+n+P-SiMOSFET的基本工作原理的基本工作原理源极栅极漏极-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+n+n+P-Si源极栅极漏极-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+n+n+P-Si源极栅极漏极-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+n+n+P-Si源极栅极漏极-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-反型层silicon substratesourcedraintop nitridemetal connec

4、tion to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gatedoped siliconfield oxidegate oxidesilicon substratesilicon substratefield oxidesilicon substrateShadow on photoresistExposed area of photoresistChrome platedglass maskUltraviolet Lightsilicon substrate非感光区域非感光区域silicon su

5、bstrate感光区域感光区域Shadow on photoresistsilicon substratephotoresistsilicon substratesilicon substrate腐蚀腐蚀silicon substratesilicon substratefield oxide去胶去胶silicon substratethin oxide layersilicon substratethin oxide layersilicon substrategateultra-thin gate oxidepolysilicongatesilicon substrategateScann

6、ing direction of ion beamimplanted ions in active region of transistorsImplanted ions in photoresist to be removed during resist strip.sourcedrainion beamsilicon substrategatesourcedraindoped silicon自自对对准工准工艺艺1.1.在有源区上覆盖一层薄氧化层在有源区上覆盖一层薄氧化层2.2.淀积多晶硅淀积多晶硅3.3.用多晶硅栅极版图刻蚀多晶硅用多晶硅栅极版图刻蚀多晶硅4.4.以多晶硅栅极图形为掩膜板，

7、以多晶硅栅极图形为掩膜板，刻蚀氧化膜刻蚀氧化膜5.5.离子注入离子注入silicon substratesourcedrainsilicon substratecontact holesdrainsourcesilicon substratecontact holesdrainsource完整的完整的简单简单MOS晶体管晶体管结结构构silicon substratesourcedraintop nitridemetal connection to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gatedo

8、ped siliconfield oxidegate oxideCMOSFETP型型 si subn+n+p+p+n 阱VDDP阱工艺阱工艺N阱工艺阱工艺双阱工艺双阱工艺P-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDN-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDP-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINN-SiP-SiN-I-SiN+-Si P-Si-衬底 N-well N-wellN-wellP+P+N+N+P+N+P-SiN初始氧化初始氧化具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅（湿法氧化）：生长二氧化硅（湿法氧化）：Si-衬底 SiO2 Si(固体固体)+2H2O

9、 SiO2（固体）（固体）+2H2氧化光刻光刻1，刻，刻N阱阱2N阱光刻：阱光刻：涂胶涂胶腌膜对准腌膜对准曝光曝光光源光源显影显影刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）去胶去胶P掺杂（离子注入）掺杂（离子注入）P-去除氧化膜去除氧化膜N-well3N阱掺杂：阱掺杂：电流电流积分积分器器N阱形成阱形成N阱阱有源区有源区：nMOS、PMOS 晶体管形成的区域晶体管形成的区域N-wellN-well 淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻有源区光刻有源区 场区氧化场区氧化 去除有源区氮化硅及二氧化硅去除有源区氮化硅及二氧化硅SiO2隔离岛隔离岛P+P+N+N+P+N+P-SiNSi3N4淀积淀积缓冲用缓冲用S

10、iO2P-Si SUBN阱阱N-well1.淀积氮化硅：淀积氮化硅：氧化膜生长（湿法氧化）氧化膜生长（湿法氧化）N-well氮化膜生长氮化膜生长N-well涂胶涂胶N-well对版曝光对版曝光有源区光刻板有源区光刻板2.光刻有源区：光刻有源区：光刻光刻2，刻有源区，刻有源区有源区有源区有源区有源区N阱阱N-well显影显影N-well氮化硅刻蚀去胶氮化硅刻蚀去胶3.场区氧化：场区氧化：N-well场区氧化（湿法氧化）场区氧化（湿法氧化）N-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO2场氧场氧1N阱阱N-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO2P-well栅极

11、氧化膜栅极氧化膜多晶硅栅极多晶硅栅极 生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜 淀积多晶硅淀积多晶硅 光刻多晶硅光刻多晶硅P+P+N+N+P+N+P-SiN栅氧化，开启电压调整栅氧化，开启电压调整栅氧化层栅氧化层N阱阱多晶硅淀积多晶硅淀积多晶硅多晶硅栅氧化层栅氧化层N阱阱N-well生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜N-well淀积多晶硅淀积多晶硅N-well涂胶光刻涂胶光刻多晶硅光刻板多晶硅光刻板N-well多晶硅刻蚀多晶硅刻蚀掩膜4 ：P+区光刻区光刻 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶N-well

12、N-wellN+N+P+P+N+N+P+N+P-SiNP-wellP+N-wellN+N+P离子注入离子注入去胶去胶光刻光刻4，刻，刻NMOS管硅栅，管硅栅，磷磷离子注入形成离子注入形成NMOS管管N阱阱NMOS管硅栅管硅栅掩膜5 ：P+区光刻区光刻 1、P+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶N-wellN-wellP+P+P+P+N+N+P+N+P-SiNN+N+P-subP+磷离子注入磷离子注入去胶去胶N-wellN+N+N-wellN+N+P+P+P-subP-sub光刻光刻5，刻，刻P

13、MOS管硅栅，管硅栅，硼离子注入及推进，形成硼离子注入及推进，形成PMOS管管N阱阱掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔1、淀积、淀积PSG.2、光刻接触孔、光刻接触孔3、刻蚀接触孔、刻蚀接触孔P-wellP-wellP+P+N+N+磷硅玻璃（磷硅玻璃（PSG)P+P+N+N+P+N+P-SiN掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔P-wellP+P+N+N+淀积PSGP-wellP+P+N+N+光刻接触孔P-wellP+P+N+N+刻蚀接触孔P-wellP+P+N+N+去胶磷硅玻璃淀积磷硅玻璃淀积N阱阱光刻光刻6，刻孔、磷硅玻璃淀积回流（图，刻孔、磷硅玻璃淀积回流（图中有误，没刻出孔中有误，没刻出孔)

14、N阱阱掩膜7 ：光刻铝线：光刻铝线1、淀积铝、淀积铝.2、光刻铝、光刻铝3、去胶、去胶P-wellP-wellP+P+N+N+P-wellP+P+N+N+铝线铝线PSG场氧场氧栅极氧化膜栅极氧化膜P+区区P-wellN-型硅极板型硅极板多晶硅多晶硅N+区区蒸铝、光刻蒸铝、光刻7，刻铝、，刻铝、光刻光刻8，刻钝化孔，刻钝化孔（图中展示的是刻铝后的图形）（图中展示的是刻铝后的图形）N阱阱P-SUB磷硅玻璃磷硅玻璃Example:Intel 0.25 micron Process5 metal layersTi/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicon dielectricInterconne

15、ct Impact on Chip掩膜8：刻钝化孔：刻钝化孔CircuitPADCHIP2022-12-2072u MOS晶体管的结构特点晶体管的结构特点器件结构器件结构:如何实现如何实现:工艺步骤工艺步骤contact holesdrainsourcesilicon substrate与双极工艺的不同与双极工艺的不同:器件隔离方式不同器件隔离方式不同 工作机理不同工作机理不同 在工艺实现过程中有栅氧化膜在工艺实现过程中有栅氧化膜 除了金属连线外，还有多晶硅栅极连线除了金属连线外，还有多晶硅栅极连线2022-12-20MOS晶体管的结构特点？MOS晶体管如何在硅片上集成？本章设问：器件结构如何

16、实现（步骤）实现过程（步骤）与NMOS（or PMOS）工艺的实现有什么不同？寄生效应？CMOS集成电路有哪些寄生效应？寄生效应对器件性能的影响？如何减小寄生效应的影响？CMOS晶体管如何在硅片上集成？实现过程（步骤）需要用到哪些方法？与单器件的实现有什么不同？与双极工艺有什么不同？2022-12-2074u CMOS晶体管如何在硅片上集成晶体管如何在硅片上集成P-wellP-wellP+P+N+N+电位？电位？P-wellP+P+N+N+N+P+n-Sub存在的寄生效应？存在的寄生效应？与与NMOSNMOS和和PMOSPMOS单管工艺有什么不同？单管工艺有什么不同？引入阱的概念2022-12

17、-2075P-wellP-wellP+P+N+N+电位？电位？P-wellP+P+N+N+N+P+n-Sub存在的寄生效应？存在的寄生效应？2022-12-20762022-12-2077n+p substraten+Ln+p substraten+L措施：措施：1.加厚场氧化层的厚度加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序增加场区注入工序提高寄生提高寄生MOSMOS管的阈值电压管的阈值电压2022-12-2078n+p substraten+Ln+p substraten+L防止措施：防止措施：1.增大寄生晶体管增大寄生晶体管“基区宽度基区宽度”2.P型衬底接地或负电位型衬底接地或负电位20

18、22-12-2079P-wellP+P+N+N+VoutVdd(5V)N+P+Vss(0V)RSRWP阱阱RSRWVddVssN衬底衬底消除措施：消除措施：1.减小减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源、地线（增加接触孔数量，加粗电源、地线,双阱工艺）双阱工艺）2.降低寄生三极管电流放大倍数降低寄生三极管电流放大倍数N2022-12-2080双阱CMOS工艺P阱阱RSRWVddVssN衬底衬底2022-12-2081鸟嘴效应侵蚀有源区2022-12-2082深亚微米CMOS晶体管结构先进行浅沟槽隔离（STI）工艺，之后采用离子注入方法分别形成n阱和p阱，然后生长栅氧化层和多晶硅，进行多晶硅光

19、刻，接着分别进行nMOS和pMOS的源漏扩展区注入；若器件采用halo结构，则之后采用与源漏扩展区注入相反的掺杂类型进行大角度的注入，形成halo结构，然后形成侧墙，作为下一步源漏重掺杂区域注入的掩蔽层；进行完源漏重掺杂区域注入后则进行硅化工艺，形成硅化物。2022-12-20832022-12-2084（1)1)无无“闩锁效应闩锁效应”（2 2）结构简单，工艺简单，集成密度高。）结构简单，工艺简单，集成密度高。（3 3）寄生电容小，工作速度快。）寄生电容小，工作速度快。（4 4）功耗低。）功耗低。（5 5）抗辐照性能好。）抗辐照性能好。2022-12-2085第3章MOS集成电路中的元件形成

20、及其寄生效应2022-12-20MOS晶体管的结构特点？MOS晶体管如何在硅片上集成？本章设问：器件结构如何实现（步骤）实现过程（步骤）与NMOS（or PMOS）工艺的实现有什么不同？寄生效应？CMOS集成电路有哪些寄生效应？寄生效应对器件性能的影响？如何减小寄生效应的影响？CMOS晶体管如何在硅片上集成？实现过程（步骤）需要用到哪些方法？与单器件的实现有什么不同？与双极工艺有什么不同？双阱标准CMOS工艺P+p-epip welln wellp+n+gate oxideAl(Cu)tungstenSiO2SiO2TiSi2field oxide增加器件密度增加器件密度防止寄生晶体管效应（闩

21、锁效应）防止寄生晶体管效应（闩锁效应）p-epiP阱阱n+STITiSi2STI深亚微米深亚微米CMOS晶体管结构晶体管结构STISTISTIN阱阱n-n+n-p+p-p+p-源/漏扩展区浅槽隔离侧墙多晶硅硅化物功耗功耗驱动能力驱动能力CMOS双极型双极型Bi-CMOSBiCMOS集成电路工艺BiCMOS工艺分类工艺分类 以以CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工工艺艺 以双极工艺为基础的以双极工艺为基础的BiCMOS工艺。工艺。以以P阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN晶体管电流增益小；晶体管电流增益小；集电极的串联电阻很大集电极的串联电阻很大;NPN管管C

22、极只能接固定电位，从而限制了极只能接固定电位，从而限制了NPN管的使用管的使用以以N阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN具有较薄的基区，提高了其性能；具有较薄的基区，提高了其性能；N阱使得阱使得NPN管管C极与衬底隔开，可根据电路需要接电位极与衬底隔开，可根据电路需要接电位集电极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力集电极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力在现有在现有N阱阱CMOS工艺上增加一块掩膜板工艺上增加一块掩膜板 以以NN阱阱CMOSCMOS工艺为基础的改进工艺为基础的改进BiCMOSBiCMOS工艺工艺使使NPN管的集电极串联电阻减小管的集电极串联电阻减小5 6倍倍；使使CMOS器件的抗闩锁性能大大提高器件的抗闩锁性能大大提高三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1）背面减薄）背面减薄（2）切片）切片（3）粘片）粘片（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5）切筋）切筋（6）整形）整形（7）所封）所封（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化）老化（10）成测）成测（11）打印、包装）打印、包装 划片金丝劈加热压焊三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）