CMOS工藝流程與工藝條件分析

CMOS電路是P溝道器件和N溝道器件的組合，它具有速度高、功耗低、抗干擾能力強等突出的優點。

一、基本CMOS工藝敘述

在常規CMOS工藝中，表面電荷對閾值電壓數值的影響很大。由前面討論知道，（111）面的典型值為4×10¹¹個/cm²，而（100）面的為1×1011個/cm3。

若電阻率p為10Ω.cm的N型襯底（即），柵氧化層厚度，。對于鋁柵 PMOS晶體管，。

根據Vr式，可以求得:

對鋁柵NMOS管，P阱區表面濃度為,可算得：

可見，用（111）晶面的N型硅片制作CMOS要比（100）晶面的困難得多。為了有利于實現P溝道和N溝道增強型工作和閾電壓的匹配。所以都采用（100）晶面的Si材料作襯底。

1、CMOS工藝流程

圖6-16表示為CMOS常規工藝的基本步驟，說明如下：

①晶向為〈100〉的N型硅晶片，電阻率p=10Ω·cm左右，經過切、磨、拋之后，進行一次氧化，生長1μm左右的厚氧化層；

②一次光刻，刻出P阱區；

③P阱區擴散，表面濃度控制在范圍，結深為10μm左右；

④二次光刻，刻出P溝道MOS管的源漏區及防止寄生效應的P型隔離環；

⑥濃硼擴散，形成PMOS管的源漏區及NMOS管的隔離環；

⑥三次光刻，刻出N溝道MOS管的源漏區和N型隔離環；

⑦濃磷擴散，形成NMOS管的源漏區及PMOS管的隔離環；

⑧四次光刻，刻出柵區及預刻引線孔，接著柵氧化和磷處理，形成低電荷密度的薄氧化層，柵氧化層厚度左右；

⑨五次光刻，刻出引線孔，并蒸鋁；

⑩反刻鋁，形成柵電極和互連線，為保證良好的歐姆接觸，進行合金。

最后，經過劃片、超聲鍵合后封裝。

2、主要工藝條件

（1）清洗工藝

在CMOS工藝中，為了獲得低的表面態密度，采用（100）晶向硅片，但還要特別嚴格注意清洗環節。比PMOS電路要嚴格得多。因為二個MOS閾值電壓的匹配程度及N溝道MOS的特性、漏電情況都與各道工序的清洗有密切關系。

（2）氧化工藝

一次氧化是作P^-阱淡B擴散的掩蔽層，由于硼再分布是1200℃，8小時左右，時間很長，所以要求SiO₂厚達1μm。

器件的性能與柵氧化質量有很大關系。柵氧化層中有效正電荷密度的增加將降低N溝道MOS器件的，同時卻使P溝道MOS器件的上升。所以的控制直接關系到CMOS兩個器件閾電壓能否匹配的問題。因此，柵氧化層必須特別注意清潔，以保證獲得低密度的表面態。柵氧化層厚度一般在150nm左右。氧化前硅片清洗及氧化系統的清潔必須嚴格要求。同時應有磷處理工序，以改善氧化層鈉離子沾污程度，也可以在氣氛中進行氧化。

（3）擴散工藝

①淡硼擴散，即P阱區擴散

這是制造CMOS電路的最重要步驟。擴散的結較深，所以淡硼的濃度應嚴格控制。因為P阱區的擴散濃度決定著N溝道器件的性能。如閾值電壓和擊穿電壓等。擴散方法是用BN作源，進行箱法擴散。預淀積時，爐溫800℃，恒溫13'~18'。要求表面濃度。再分布時，爐溫為1200℃，恒溫為8小時，通以干氧。要求在1700~2000Ω/口，結深在10μm左右。在實際工藝中，P阱區濃度要準確控制在10¹⁶/cm²左右是比較困難的。這樣控制的誤差一般在±10%以上。

②濃硼擴散

這是用來制備P溝道器件的源漏區（包括P⁺隔離環）。預淀積時，爐溫1080~1100℃，恒溫15'~20'左右，要求在8~15Ω/口。

③濃磷擴散

用來制作N溝道器件的源漏區（包括N⁺隔離環），采用液態源擴散法。爐溫1060~1080℃，通源時間15'~20',要求在2.5Ω/口。

從CMOS工藝過程中看到，它較普通的MOS工藝多了幾道光刻和擴散步驟，增加了工藝的復雜性。由于P阱區的橫向擴展和隔離環的使用，占用了很大的晶片面積。所以，工藝復雜，控制較難，集成度不高是CMOS電路的缺點。

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