CMOS反相器制造工艺解析

CMOS集成电路是互补MOS集成电路，由于CMOS集成电路具有低的静态功耗、宽的电压范围、宽的电压输出幅度和高的速度，因此应用广泛。

CMOS集成电路是以PMOS晶体管作为负载器件，NMOS晶体管作为驱动器件，这就要求在同一个衬底上制造PMOS和NMOS晶体管，因此制造过程中必须把一种晶体管做在衬底上，另一种晶体管做在阱中。根据阱的导电类型，CMOS集成电路制造工艺又可以分为P阱CMOS、N阱CMOS和双阱CMOS工艺。

本书以N阱CMOS工艺为例讲解CMOS反相器的工艺流程。

CMOS反相器的截面图（有阱和衬底连接）如图3-1所示。

图3-1 CMOS反相器的截面图（有阱和衬底连接）

1.CMOS反相器的版图

制造一个基本的CMOS反相器至少需要六块掩膜版：N阱、多晶硅、n+扩散区、p+扩散区、接触孔和金属线（由于制造工艺的原因，实际的掩膜结构可能不太一样）。掩膜版的图形决定了芯片中元器件的位置、形状和大小，简单的CMOS反相器的掩膜版分层图如图3-2所示。

2.CMOS工艺流程

集成电路制造的工艺主要包括清洗、氧化、光刻、掺杂和蒸铝等几个工艺，整个工艺流程主要由这几部分重复操作实现。

（1）N阱的形成 在裸露的P型硅片上制作N阱，然后才可以在N阱中制造PMOS晶体管。N阱的制作流程如图3-3所示。具体过程如下，首先在整个硅片上生长氧化层，然后通过光刻工艺将需要形成阱的区域光刻掉（即去掉此处的氧化层），最后通过掺杂工艺再掺入N型杂质，形成所谓的N型阱区。

氧化过程在高温氧化炉中进行，氧化温度一般为900～1200℃，在硅片的表面形成SiO₂层，如图3-3b所示；接着进行光刻，先在氧化完的硅片表面涂一层光刻胶（有正胶和负胶之分），如图3-3c所示；涂胶后把硅片放在烘炉中进行前烘，前烘后拿到光刻机上进行曝光，光刻掩膜版只允许部分图形透过光线，曝光后再坚膜一段时间，就可以进行显影，即把需要露出氧化层位置的光刻胶去掉，露出形成N阱区域的氧化层，如图3-3d所示；接着用腐蚀液把没有受保护的氧化层腐蚀掉，露出里面的硅片，如图3-3e所示；腐蚀掉部分SiO₂层后用特定的配比溶液再腐蚀掉余下的光刻胶，如图3-3f所示；清洗后可以进行掺杂，一般可以用离子注入法（Ion Implantation）或扩散法（Diffusion）进行掺杂，掺杂后如图3-3g所示；最后可以再次用氢氟酸腐蚀的方法把其他的SiO₂层腐蚀掉，如图3-3h所示。这样就得到有N阱的P型硅片，可以在N阱上面做PMOS晶体管和其他一些元件。(www.xing528.com)

（2）元器件的制作 接下来就可以制作晶体管的栅极了。制作多晶硅和N型有源区的截面图如图3-4所示。栅极是由栅氧上面多晶格的硅构成。将硅片放在充有硅烷（SiH₄）的气体反应堆中，通过化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的工艺再次加热生长多晶硅层，如图3-4a所示；接下来就要进行光刻保留硅栅对应的多晶硅图形，如图3-4b所示；然后要在硅片的表面全部形成一层保护氧化层，以进行下面的工艺，如图3-4c所示；形成氧化层后进行下一步光刻，利用n⁺区光刻版，在硅片表面光刻出n+区扩散的图形，如图3-4d所示；利用离子注入工艺可以形成n⁺区，如图3-4e所示；由于多晶硅栅屏蔽了离子注入形成的杂质扩散，因此源极和漏极就被栅极下方的沟道隔开，这种工艺被称为自对准（Self-Aligned）工艺，因为晶体管的源极和漏极是在栅极附近的两侧自动形成的，不需要精密地调整掩膜版的位置；最后刻蚀掉起保护作用的氧化层，如图3-4f所示。

图3-2 简单的CMOS反相器的掩膜版分层图

采用P⁺扩散区掩膜版、接触孔掩膜版和金属掩膜版重复上述步骤，就可以得到P型有源区、接触孔和金属连线的截面图，制作P型有源区、接触孔和金属连线的截面图如图3-5所示。图3-5a是p区扩散后的界面示意图，可以看到源极和漏极对应的p+扩散区也是通过自对准工艺形成的；图3-5b是接触孔对应的截面图，通过接触孔掩膜版利用光刻得到的，光刻前氧化形成的氧化层被称为场氧，能够将硅片与金属绝缘隔开；图3-5c是金属连线的截面图，利用金属掩膜版通过光刻工艺得到的，首先在表面全部溅射一层金属，然后利用等离子刻蚀法去掉那些不应该保留连线的地方。简化的工艺流程就基本完成了。

由以上的工艺过程可以总结出简化的N阱CMOS反相器的工艺流程如下：

①做N阱：硅片准备→一次氧化→^一次光刻→一次扩散。②做栅：二次氧化（薄）→CVD淀积多晶硅→二次光刻。③做N型有源区：三次氧化→三次光刻→离子注入。④做P型有源区：四次氧化→四次光刻→离子注入。⑤做接触孔：五次氧化→五次光刻。⑥蒸铝。⑦反刻铝。⑧后续工艺。

图3-3 N阱的制作流程

3.其他的CMOS工艺

在硅片衬底上制作器件的工艺统称为体硅CMOS工艺，此外还有SOS-CMOS工艺（蓝宝石上外延硅膜）、SOI-CMOS工艺（绝缘体上生长硅单晶薄膜），它们从根本上消除了体硅CMOS工艺固有的寄生闩锁效应，而且由于元器件之间是空气隔离，有利于高密度集成，结电容和寄生电容小，速度快，抗辐照性能好。但这些工艺成本高，硅膜质量不如体硅，只有在一些特殊的场合下使用，例如军事和航空。