MOS干貨科普|硅柵MOS結構詳細解析-KIA MOS管

硅柵MOS結構詳細解析

硅柵MOS結構：在MOS-IC的早期產品中,廣泛使用金屬AI作為柵極。例如上世紀60年代中期第一只MOS-IC即為p溝增強型A1柵器件。但隨著MOS-IC規模的增大、線條的變細性能要求的提高,Al柵MOS技術逐漸被硅柵MOS所代替。

硅柵MOS結構：工藝的特點

硅柵工藝的發展和應用,同以下幾個方面的原因緊密相連:

(1)我們知道Al柵的淀積必須在完成了硅器件所有的高溫過程以后進行。因此它務必要同IC中器件的源、漏區對準。在套準精度的限制之下,棚區的尺寸必須比預定的溝道長度更長,以便覆蓋住源、漏區。

這導致了集成密度的下降和寄生效應的增加。由于多晶硅與硅襯底是同一種材料,具有相同的熔點，它可以在形成漏、源區之前淀積上去。同時硅柵本身又可作為離子注入的掩膜,幾乎可完美地形成所需的器件溝道區。

這種“自對準”的特點不僅簡化了制備工藝,而且增加了器件密度,減少了柵-源間和柵-漏間的寄生電容。這一特點的示意圖如圖4-1-1所示。在硅襯底上先要形成薄的柵氧化區,隨后淀積多晶硅并圖形化,隨后經由離子注入形成漏、源區。在硅柵之下沒有注入離子,形成所需的溝道。

(2)由于硅柵與硅襯底之間的接觸功函數的差別為零,從而使閾值電壓負得更少一點，減少了p溝MOS的閾值電壓絕對值。如可從-4V下降為-2V。這樣使硅柵MOSIC可以同其他數字電路相兼容，如TTL電路等。

(3)由于多晶硅能忍受高溫,它可以完全地被SiO2層封包起來,使多晶硅不僅能作為柵電極用,而且可以作為互連線用。在多層布線技術中,它可以被另外的金屬層或多晶硅層所穿過。

使IC設計中的布線更為方便和緊湊。因多晶硅能忍受高溫.它又可允許被覆蓋摻磷SiO2等介質膜，以完成金屬化之前所必須的表面平坦化過程。

硅柵MOS結構：硅柵MOS技術中最大的不利因素是它比Al柵材料有高得多的電阻率。即使在高摻雜的情況下,0.5μm厚的多晶硅電阻率約為20Ω/sq。這同相應厚度的Al材料相比要大約400倍。高的電阻率勢必造成更長的RC時間常數以及芯片中較嚴重的直流電壓的變化。

為克服這一缺點,常在多晶硅上淀積耐熔金屬或硅化物薄膜。這類薄膜的薄層電阻率為1Ω/sq,可以明顯地減少多晶硅的高阻帶來的負面影響。但是,盡管存在上述的限制,硅柵MOS技術已經成為當今MOS-IC技術中的主流技術。

場區、有源區和等平面工藝

在MOS-IC的芯片內,從工藝結構來看,可以分為兩個區域:場區和有源區。有源區是用以制作MOS晶體管、電阻或電容的區域。在此區域內不存在很厚的熱生長SiO2 層,只存在制作器件必須的薄氧化層和當隔離介質中的CVD淀積的SiO2層。

在此區域內,除器件所必須的引出線外,一般不能通過其他導電層。在有源區之外的就是場區,這一區域由很厚的熱生長SiO2層組成,大量的金屬布線穿越其間,芯片的眾多金屬引線腳也布置在它上面。圖4-1-2是有源區和場區的示意圖。

在普通的集成電路平面工藝中,SiO2層作為絕緣介質和摻雜時的掩蔽材料,發揮了關鍵的作用。MOS-IC的場區由熱生長SiO2層組成，而有源區則無這樣的厚氧化層。熱生長SiO2層的過程,要消耗硅襯底材料。

在形成有源區時,必須將有源區上的厚SiO2層除去。這樣,在有源區和場區之間形成一個明顯的臺階, 如圖4-1-3所示。這樣的高臺階對從有源區引出的布線是不利的,金屬布線在臺階處容易斷裂,造成器件的失效。

用“等平面工藝”很容易解決這一問題。只要在有源區的區域上淀積一層Si3N4以保護這一區不被熱氧化,從而使這一區域的硅平面和四周的厚氧化層平面維持在較接近的水平，大大減少了布線跨越的臺階。一種叫全凹陷氧化工藝(FUROX)提供了較完美的等平面氧化技術。

圖4-1-4示出了這一工藝的主要步驟。在有源區部分依次熱生長氮氧化硅層200A,LPCVD生長Si3N4 800A,CVD淀積SiO2 1000A。隨后在場區熱生長siO2 4500A。然后用化學腐蝕方法除去以形成一個槽。

生長第二層100A厚的氧化硅層并用CVD方法淀積400A厚的氮化硅層。進行自對準場區的“溝道阻止”硼注入。用離子反應刻蝕方法各向異性地腐蝕掉第二層氮化硅層,但仍保留側墻處的Si3N4層以作為掩蔽氧化用。接著進行第二次場氧化,形成一個無缺陷,接近“零鳥嘴”,全凹陷的非常平坦的氧化區。

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