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              PMOS工藝條件和步驟及優缺點詳解

              信息來源: 時間:2020-11-25

              PMOS工藝條件和步驟及優缺點詳解

              MOS常規工藝

              在MOS電路的發展過程中,發展最早、最快的是PMOS集成電路,PMOS電路的生產基本上是硅平面工藝,通常稱為MOS常規工藝,它具有工藝簡單,設備不復雜、易于控制等優點。但PMOS電路存在著速度太低的突出缺點,對發展速度高、性能好的MOS 大規模集成電路帶來很大困難。PMOS工藝。為了提高電路速度和性能,科學家們對MOS 工藝進行了一系列的革新。采用了一些新材料和工藝。例如采用具有高遷移率的半導體材料,發展了NMOS和GaAsNOS集成電路;為了減小柵源、柵漏電容,發展了柵自對準MOS工藝;在絕緣柵介質方面,采用了較之SiO2,性能更佳的Si3N4、Al2O3,等絕緣薄膜;器件的柵電極除了用大家熟知的鋁柵以外,又發展了硅粗、鋁柵;在源、漏的形成及調節器件閾值電壓大小、正負等方面,采用了離子注入技術。PMOS工藝。這樣就使MOS集成電路工藝大大超出了硅平面工藝的范圍,顯示了MOS工藝的新特點。本章主要介紹PNOS 常規工藝和新技術。

              一、PMOS工藝

              PMOS集成電路雖然工作速度低,卻早為大家所熟悉,使用相當廣泛,加之工藝簡單,易于控制等優點,目前仍大量生產。下面簡要介紹它的工藝原理和方法。

              PMOS的工藝條件,一般可根據閾值電壓V的要求來確定。常見的P溝道MOS器件的閾值電壓image.png。若取摻雜濃度image.png的N型硅片,都氧化層厚度image.png,則image.png。PMOS工藝。為了獲得較小的表面態密度,取〈100〉方向的單晶硅,如果有效正電荷密度控制在2×1011個/cm3的數量,即含有image.png。將這些數字代入VT表達式,求得:

              image.png

              若厚氧化層取1.5μm,則場閾值電壓可估算為:

              image.png

              在實際工藝中,由于氧化層中受到雜質離子(特別是鈉離子)的沾污,氧化層中的有效正電荷密度將大于2×1011個/cm2的數量,lVTl還要大些。所以在MOS工藝的各個環節中防止雜質沾污是特別重要的。


              1、PMOS工藝條件及步驟

              (1)一次氧化

              將電阻率為8Ω.cm、厚度約為800μm的N-Si單晶片,經過嚴格清洗,用熱生長法在Si片表面生長一層約1~1.5μm的SiO2膜,作為擴散掩膜及表面保護層。工藝條件為:

              image.png,氧化時間image.png,氧流量為image.png,濕氧水溫為98℃。

              (2)硼擴散制造漏源區

              對預先刻出源、漏窗口的Si片,先進行高硼預擴散,接著進行再擴散,形成P區(源漏區)。

              離硼擴散的條件為:image.png氮氣流量N2(大)=600ml/min,N2(小,通源)=10ml/min,時間t=5(不通源),30’(通源)5’(趕源),液態源(硼酸三甲酯)溫為0℃,要求image.png□。

              在擴散的條件為:image.png;時間t=5’(干)+25(濕)+10’(干);水溫T=98℃;氧流量O2=800ml/min。要求R□=40~60Ω/□。

              (3)柵氧化工藝

              將原來在柵區的一次氧化膜刻去,重新生長一層高質量的薄二氧化硅層,作為柵的絕緣介質。由前面討論知道,柵下面的SiO2對器件的性能影響是很大的。PMOS工藝。MOS器件的閾值電壓VT,與SiO2層的厚度image.png及其中等效正電荷密度image.png有很大的關系。為了控制VT的大小,必須嚴格控制image.png的范圍,image.png。其工藝條件為:image.png氧流量image.png;氧化水溫=98℃;氧化時間image.png(干)+22’(濕氣)+5’(干),并退氮10’。

              (4)磷處理工藝

              將經過柵氧化的片子,放在高溫爐內,使磷原子分解在硅表面,生長一層磷硅玻璃,起表面鈍化作用,減小Na+的玷污對器件所造成的影響,使器件性能穩定。磷處理工藝條件為 :image.png,通源,氧流量image.png,大氮(N2)=320ml/min,源(三氮氧磷)溫為0℃。要求image.png。

              (5)吹氮(氮烘)工藝

              將磷處理好的片子在高溫950℃的爐內通氮30’,N2流量為200ml/min,使表面的磷原子向深度擴展,更有效地起控制Na+的作用,同時使表面磷的濃度降低,便于光刻。

              工藝流程如圖6-1所示。PMOS工藝。

              2、PMOS的缺點

              常規工藝生產的PMOS集成電路存在一些弱點,影響了電路性能的進一步提高。

              第一,典型PMOS工藝生產的電路,管子的閾值電壓較高,絕對值一般在3.5V左右,因此必須采用較高的工作電源(約-20V),這樣,就不能與采用低電源(約5V)的雙極型電路兼容。

              第二,PMOS電路的速度/功耗比雙極型電路至少要低一個數量級。雖然MOS電路的功耗較雙極型電路低,但雙極型電路的速度遠比PMOS電路快得多。

              要提高電路的性能,一方面要改革原有的工藝,另一方面是研制MOS電路的新類型。

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