亚微米BiCMOS[B]芯片及其剖面结构与制程技术分享_企业管理顾问

作者:Aileen 发布时间:2019-11-09 11:38:36 点击数:135

1  亚微米 BiCMOS[B] 技术的主要特点

BiCMOS[B]的 Twin-Well[1]与P-Well[2]或 N-Well[3] 的制造技术有很大的不同。主要是 CMOS 特征尺寸为亚微米级,使制造技术发生了重要的变化。

由于器件尺寸缩小,栅氧化膜的厚度也要求按比例减薄,这主要是为了防止短沟效应。薄栅氧化膜要达到其高质量的指标:低的缺陷密度,好的抗杂质扩散的势垒特性,具有低的界面态密度和固定电荷的Si/SiO2 界面,在热载流子应力和辐射条件下的稳定性以及低的热预算(温度时间乘积量)工艺。

在亚微米制造技术中,P 沟道区的注入一般需要作两次注入,其中一次用于调整阈值电压,另一次用于抑制穿通效应。抑制穿通的注入通常是高能量,较高剂量,注入峰值较深(延伸至源-漏耗尽区附近);而调节阈值电压注入一般能量较低,注入峰值位于表面附近。因此栅下的杂质分布不仅决定于衬底掺杂,而且还决定于注入杂质,因而沟道区杂质呈非均匀分布。

在亚微米技术中,为了抑制 CMOS 穿通电流和减小短沟道效应,工艺要求更浅的源漏结深,达到浅结。工艺对 PN 结有很高的要求:高的表面浓度,浅的结深,低接触薄层电阻以及很小的结漏电流。

在浅 的 N+P 结中,可用 75As+ 注入来实现。由于砷离子相当重,因而可使被注入区硅表面变为无定形,此时,只要在 900 ℃ 较低温度下退火,即可由固相外延形成再结晶,相应扩散却相当小,因此可实现 N+P 浅结。还需要 P+N 浅结。采用 49BF2+ 注入, 由于 49BF2+ 质量大,并能将结深降到单用 11B+ 时的四分之一,来制作 P+N 浅结。

亚微米 BiCMOS[B] 芯片与制程 剖面结构分享,大神的干货课堂!

在浅结欧姆接触中,Al-Si 互扩散产生的结漏电,穿通等是影响器件热稳定性,甚至造成器件失效的一个严重问题,为此采用在 Al 层和 Si 之间加一扩散阻挡层的方法,通常选用 TiN 膜,这是因为 TiN 热稳定性好。

轻掺杂漏 LDD 结构主要应用于亚微米或深亚微米 MOS 器件中,以提高源漏穿通电压和减少高电场引入的热载流子注入问题。具有代表性的结构和技术有利用 TEOS 侧墙制作对称 LDD 结构,它的形成方法就是在栅和源漏的重掺杂区之间引入一个轻掺杂区。这样,N+ 或 P+ 区注入杂质不会在栅下面发生横向扩散,但会在侧墙下面扩散。

本文提出, 为了直观显示出双极型与 CMOS 器件兼容集成的亚微米 BiCMOS[B] 结构,应用芯片结构技术[4-6],可以得到芯片剖面结构,并利用计算机和它所提供的软件,描绘出制程中芯片表面﹑内部器件以及互连的形成过程和结构的变化的示意图。

2  亚微米芯片剖面结构

应用芯片结构技术[4-6],使用计算机和它所提供的软件,可以得到亚微米 BiCMOS[B] 芯片典型剖面结构。首先由设计人员在电路中找出各种典型元器件: NMOS, PMOS, NPN (纵向)以及 PNP(横向)。然后由制造人员对这些元器件进行剖面结构设计,选取剖面结构各层统一适当的尺寸和不同的标识,表示制程中各工艺完成后的层次,设计得到可以互相拼接得很好的各元器件结构(或在元器件结构库中选取),分别如图 1[A]﹑[B]﹑[C] 以及 [D] 等所示(不要把它们看作连接在一起)。最后把各元器件结构依一定方式排列并拼接起来,构成电路芯片剖面结构,图 1 为其示意图。

图 1 芯片剖面结构是以双极型制程及其所制得的元器件为基础,引入兼容的 CMOS 器件工艺,最终在同一硅衬底上形成 IC 中主要器件。而图 1-B的芯片剖面结构中,除了图 1-A 的四种器件外,还有其它无源器件:如位于场区上的双层 Poly 电容和 Poly 电阻等;或衬底 MOS 电容(或双极型电容)和 N-Well 电阻(或基区电阻);或采用掺杂 N+Poly 与硅表面直接相接形成浅发射区的结构来代替图中 NPN 结构,来提高电路速度;或它们之间的不同结合,就形成多种不同的复杂的 BiCMOS[B] 结构,可选用其中一种与设计电路直接相联系的结构。限有篇幅,本文仅介绍图 1-A 技术。

3  亚微米芯片工艺技术

设计电路 CMOS 采用 0.8μm/双极型为2~ 3μm 设计规则,使用1~2μm 薄外延的亚微米BiCMOS[B] 制造技术。该电路主要元器件﹑制造技术以及主要参数如表1所示。它以双极型制程及其所制得的元器件为基础,引入兼容的 CMOS 器件工艺,并对其中芯片结构和制造工艺进行改变,以制得 CMOS 器件的相容技术,最终在同一硅衬底上形成如表 1 所示的 IC 中主要元器件,并使之互连,实现所设计的电路。该电路或各层版图己变换为缩小的各层平面和剖面结构图形的 IC 芯片。如果所得到的工艺与电学参数都适合于所设计电路的要求, 则芯片功能和电气性能都能达到设计指标。

为实现亚微米 BiCMOS[B] 技术,对双极型制造工艺作如下的改变。