信息來源: 時間:2020-11-25
在MOS電路的發(fā)展過程中,發(fā)展最早、最快的是PMOS集成電路,PMOS電路的生產(chǎn)基本上是硅平面工藝,通常稱為MOS常規(guī)工藝,它具有工藝簡單,設(shè)備不復(fù)雜、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。但PMOS電路存在著速度太低的突出缺點(diǎn),對發(fā)展速度高、性能好的MOS 大規(guī)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(xué)家們對MOS 工藝進(jìn)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(dǎo)體材料,發(fā)展了NMOS和GaAsNOS集成電路;為了減小柵源、柵漏電容,發(fā)展了柵自對準(zhǔn)MOS工藝;在絕緣柵介質(zhì)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(fā)展了硅粗、鋁柵;在源、漏的形成及調(diào)節(jié)器件閾值電壓大小、正負(fù)等方面,采用了離子注入技術(shù)。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(diǎn)。本章主要介紹PNOS 常規(guī)工藝和新技術(shù)。
PMOS集成電路雖然工作速度低,卻早為大家所熟悉,使用相當(dāng)廣泛,加之工藝簡單,易于控制等優(yōu)點(diǎn),目前仍大量生產(chǎn)。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(jù)閾值電壓VT 的要求來確定。常見的P溝道MOS器件的閾值電壓。若取摻雜濃度
的N型硅片,都氧化層厚度
,則
。PMOS工藝。為了獲得較小的表面態(tài)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(shù)量,即含有
。將這些數(shù)字代入VT表達(dá)式,求得:
若厚氧化層取1.5μm,則場閾值電壓可估算為:
在實(shí)際工藝中,由于氧化層中受到雜質(zhì)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(shù)量,lVTl還要大些。所以在MOS工藝的各個環(huán)節(jié)中防止雜質(zhì)沾污是特別重要的。
將電阻率為8Ω.cm、厚度約為800μm的N-Si單晶片,經(jīng)過嚴(yán)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(kuò)散掩膜及表面保護(hù)層。工藝條件為:
,氧化時間
,氧流量為
,濕氧水溫為98℃。
對預(yù)先刻出源、漏窗口的Si片,先進(jìn)行高硼預(yù)擴(kuò)散,接著進(jìn)行再擴(kuò)散,形成P區(qū)(源漏區(qū))。
離硼擴(kuò)散的條件為:氮?dú)饬髁縉2(大)=600ml/min,N2(小,通源)=10ml/min,時間t=5(不通源),30’(通源)5’(趕源),液態(tài)源(硼酸三甲酯)溫為0℃,要求
□。
在擴(kuò)散的條件為:;時間t=5’(干)+25(濕)+10’(干);水溫T水=98℃;氧流量O2=800ml/min。要求R□=40~60Ω/□。
將原來在柵區(qū)的一次氧化膜刻去,重新生長一層高質(zhì)量的薄二氧化硅層,作為柵的絕緣介質(zhì)。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層的厚度及其中等效正電荷密度
有很大的關(guān)系。為了控制VT的大小,必須嚴(yán)格控制
的范圍,
。其工藝條件為:
氧流量
;氧化水溫=98℃;氧化時間
(干)+22’(濕氣)+5’(干),并退氮10’。
將經(jīng)過柵氧化的片子,放在高溫爐內(nèi),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(wěn)定。磷處理工藝條件為 :,通源,氧流量
,大氮(N2)=320ml/min,源(三氮氧磷)溫為0℃。要求
。
將磷處理好的片子在高溫950℃的爐內(nèi)通氮30’,N2流量為200ml/min,使表面的磷原子向深度擴(kuò)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。
常規(guī)工藝生產(chǎn)的PMOS集成電路存在一些弱點(diǎn),影響了電路性能的進(jìn)一步提高。
第一,典型PMOS工藝生產(chǎn)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(shù)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(yuǎn)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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