SOS技术制造CMOS电路工艺分析

信息来源: 时间:2020-12-3

SOS技术制造CMOS电路工艺分析

SOS技术是“蓝宝石上外延硅”的简称。这种技术是在抛光的蓝宝石片上外延生长一层硅单晶薄层,接着将单晶薄层腐蚀成一个个彼此隔离的“小岛”,然后在“小岛”上制成各种器件,最后用金属互连构成集成电路。

1、深耗尽型MOS器件

图2-18所示为P沟道深耗尽型硅-蓝宝石MOS晶体管示意图。

SOS技术制造CMOS电路

图中P-是在蓝宝石上的硅外延层,P+区是在外延层上用硼局部扩散形成的源、漏区,用二氧化硅薄层做管子的栅介质:用铝做栅、源和漏的电极引线。SOS技术制造CMOS电路。这样的结构,似乎不加负栅压,就有原始沟道存在,其实不然。由于铝硅之间的接触电势差恒为负值,所以在VG=0时,栅下面的高阻P-区就已全部形成了耗尽层,沟道区没有自由空穴可以流动,源漏之间不能导电。为了使沟道有效地截止,必须使耗尽层厚度大于外延层厚度(即P-区全部耗尽),所以要求外延层电阻率足够高,通常大于10Ω.cm。

当栅上加负偏压时,表面就积累空穴,源漏之间就可以导电。SOS技术制造CMOS电路。由上面分析知道,这种器件是增强型工作的。由于靠足够厚的耗尽层来保证器件截止而处于增强型工作,所以称为深耗尽型硅-蓝宝石MOS晶体管。

2、硅-蓝宝石CMOS电路

用SOS技术制作CMOS电路,有深耗尽型和二次外延型两种形式,它们与以硅衬底的工艺相比,具有许多优点:

因为器件都做在1μm厚度的硅外延层上,源漏扩散都穿通外延层,故只有横向PN结存在,且结面积很小,这就大大降低了PN结寄生电容,比一般工艺中的源漏电容要小30倍左右。有利于提高工作速度。

器件彼此之间是空气隔离,所以不需要普通工艺所采用的隔离环,不仅减小了混电和电容,而且也大大缩小了面积,提高了集成度。尺寸可比普通工艺减小百分之三十左右。

由于不存在寄生的MOS管效应,场氧化层可以做得比较薄。铝线大多是在绝缘的衬底上,其分布电容也大大减小。

抗辐射能力强。

(1)深耗尽型COMOS工艺

图6-19为深耗尽型CMOS电路工艺的主要步骤,其工艺过程如下:

首先在抛光的蓝宝石衬底上外延生长一层厚度约为1μm、电阻率为10Ω.cm的P型硅层,并在400℃时淀积SiO2保护膜(图6-19(a))。

光刻,将不做器件的硅层腐蚀掉,留下要做管子的外延层“小岛”(图6-19(b))。

低温流积掺硼的SiO2然后进行光刻,只留下构成P沟道器件处的SiO2层(图6-

19(c))。

低温淀积掺磷的SiO2然后进行光刻,只留下构成N沟道处的掺磷SiO2层(图6-

19(d))。

刻栅,分别确定NMOS和PMOS的沟道区。

栅氧化并同时进行硼、磷扩散。在栅氧化过程中,参杂氧化物中的硼、磷分别向两个“小岛”扩散,形成NMOS和PMOS器件的源漏区(图6-19(e))。

刻源、漏区的引线孔。

蒸铝,反刻,形成电路引线(图6-19(f))。

SOS技术制造CMOS电路

图6-19(f)右边的为P+P-P+结构,是深耗尽型增强工作的PMOS晶体管,左边的N+P-结构,是增强型NMOS晶体管。这种CMOS电路对外延层电阻率和厚度要求比较严格,因此要求外延层电阻足够高,以保证P沟道耗尽层大于外延层厚度,但电阻率又不能太高,否则会使NNOS管的阈值电压变负。SOS技术制造CMOS电路。但是深耗尽型的VT数值可以做得比较低,这是它的特点。

(2)两次外延法CMOS工艺

两次外延法与深耗尽型不同,NMOS管做在P型外延层上,而PMOS管做在N型外延层上。N型外延层和上型外延层是分两次在蓝宝石上外延生长而成的。具体工艺步骤如下:

SOS技术制造CMOS电路

一次外延,在蓝宝石上生长一层P型硅单晶,腐蚀掉不用的部分,随后淀积SiO2保护层(图6-20(a)、(b))。

二次外延,在经过一次外延的片子上,再生长一层N型硅单晶,同样腐蚀掉不用的部分。这样,就形成两个P型和N型“小岛”(图6-20(c)、(d))。

分别进行扩散,形成NMOS和PMOS的源漏区(图6-20(e)。

刻引线孔、蒸铝、反刻、形成电极引线(图6-20(f))。

这种工艺比较复杂,但由于NMOS管和PMOS管分别做在两个外延层上,二者彼此独立,所以电阻率的要求可以放宽些。

SOS工艺的基础是生长高质量的硅外延层,这与绝缘衬底的材料质量和加工密切相关。衬底材料要与硅的晶格相匹配,要求衬底单晶完整,与硅的热膨胀系数接近,并便于加工。

由于硅和蓝宝石的单晶结构不同(前者是立方对称结构,后者是菱形结构),所以生长高质量的硅外延层难度较大。SOS技术制造CMOS电路。采用具有立方对称结构的尖晶石代替蓝宝石作为绝缘衬底,可以克服这一困难,因为尖晶石与硅的失配比蓝宝石小,但尖晶石难以获得,其机械强度不如蓝宝石。

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