解析互补硅-蓝宝石MOS场效应晶体管及其制作步骤

已经表明，在同一块P型硅-蓝宝石薄膜上，可以同时制成n和P沟道（深耗尽）MOS场效应晶体管。如果硅膜的电阻率和厚度以及二氧化硅界面的单位面积固定正电荷密度Qss选择合适，可以满足式（7.34），而且，在零栅电压条件下，硅表面既不形成P型积累层，又不形成n型反型层，那么应用硅-蓝宝石技术，即可在同一块硅片上同时制成互补n和P沟道MOS增强型器件。艾利森（Allison）、伯恩斯（Burns）和海曼（Heiman）^50、60首次成功地证明这一点。与前面在第7.7节讨论的互补MOS集成电路比较常见的制作方法不同，利用这种技术，可以免除额外的扩散或注入步骤来构成置于n沟道器件中的P型低电阻率阱。硅-蓝宝石结构，除了上述许多优点而外，用此方法制作的集成电路还得益于互补MOS系统通常具有的较快的开关速度和低备用功率消耗。制作互补硅-蓝宝石器件通常应用的工艺步骤见图7.25。首先，在蓝宝石衬底上生长出一层一般厚约10~15欧姆-厘米的高电阻率P型硅薄膜。然后加温到约400℃，应用淀积方法在这层单晶硅膜上覆盖一层二氧化硅。并在二氧化硅上构出图形进行腐蚀。保留下来的部分二氧化硅层可以当作确定电路有源区的掩模，将没有用的硅区腐蚀掉。在这些步骤完成以后，除掉留下的二氧化硅，并在低温条件下在硅片表面淀积一层硼掺杂的二氧化硅。在硼掺杂的二氧化硅上构出图形并腐蚀掉所有无用的部分，只保留用以构成P沟道器件的地方。接着，仍在低温条件下在硅片上淀积一层磷掺杂的二氧化硅，同样在其上构出图形，并腐蚀掉所有无用部分，只保留用以构成n沟道器件的地方。对磷掺杂和硼掺杂氧化物覆盖层同时进行局部地腐蚀，以分别确定n和P沟道器件的沟道区。这时对硅片进行唯一的高温加工工序，在沟道区热生长绝缘栅氧化物区。同时，从掺杂氧化物层向外扩散可以形成n和P沟道器件的漏区和源区。然后确定和腐蚀出扩散区的接触窗，接着在硅片上淀积铝层，确定金属化图形并加以腐蚀。最后形成的结构如图7.25（f）所示，如前所指出，这种结构的特点是，结和金属互连对衬底的电容极小，并且由于采用掺杂氧化物外扩散技术，这种结构的栅-漏和栅-源极间电容也减小⁶¹。采用以上方法制成的互补MOS场效应晶体管集成电路容许的工作速度已证明比采用本体硅衬底制成的普通单沟道MOS器件高出许多倍。例如迈耶（Meyer）、伯恩斯（Burns）和斯科特（Scott）⁶²提出的报告指出，已制成工作速度超过75兆赫的互补MOS硅-蓝宝石50比特位移寄存器。

应该指出，普通的（本体的）硅器件制作技术不能直接应用来生产高质量硅-蓝宝石MOS集成电路。特别是，由于铝和蓝宝石衬底中其它杂质的向外扩散可能污染硅膜，以及硅-蓝宝石界面附近的硅中存在着严重的位错而引起的加速扩散，加速硅的腐蚀速率和加速界面附近的氧化作用，已经证实⁶¹，尽量减少硅片暴露在高温工艺中所需的处理时间和尽量避免热氧化工艺是确保重现高质量硅-蓝宝石MOS器件的必要的预防措施。当利用前述深耗尽工艺来制作这种结构时就更加是这样。然而最近已经提出制作互补硅-蓝宝石MOS器件的另一种方法，虽然其中涉及到更为复杂的工艺步骤，但是可以减少采用p型深耗尽MOS场效应晶体管，按照图7.25所示的制作工序，构成互补器件时所迂到的某些问题^63,64。这种新提出的方法并不只是一块（高电阻率P型）硅薄膜来制作两种类型的器件，而是应用二阶段外延淀积工艺，在其产生的两块低电阻率（P型和n型）硅薄膜上，分别独立地制作n沟道和P沟道器件。由于P和n型薄膜中的掺杂浓度比深耗尽技术所需的掺杂浓度高得多，所以采用二阶段外延淀积工艺制成的互补MOS器件的阈值电压较高。而其特点是硅膜掺杂浓度变化容许的偏差范围要大得多。因为采用这种工艺已经设计和制成工作速度高达95兆赫的电路⁶³。最后，应该指出，虽然由于采用硅-蓝宝石工艺、在同一块结构上能够制成n和P沟道增强型器件是很合乎需要的，但是如果n沟道器件的阀电压稍负就会变为耗尽型，当然，这种结构的所有优点仍然存在。唯一的不足之处是电路内每一反相器备用功率消耗增加，这是因为即使在栅-源电压为零的情况下，n沟道MOS场效应晶体管仍然有小的残余电流通过。拉普（Rapp）和罗斯（Ross）⁶⁵指出，用n型硅-蓝宝石薄膜以及类似图7.25所示的工艺程序，制作由p沟道增强型MOS场效应晶体管和n沟道耗尽型（深耗尽）MOS场效应晶体管所组成的结构是不难实现的。

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