nmos和pmos設(shè)計

1、目錄1. 設(shè)計任務(wù)21.1 設(shè)計指標(biāo)21.2 設(shè)計內(nèi)容 22. 設(shè)計方案及步驟33. MOS管的器件特性模擬與優(yōu)化（ISE）33.1 設(shè)計流程33.2 Dessis模塊建立133.3 程序運行173.4 查看輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線194. n阱CMOS芯片制作的工藝實施方案205. 總結(jié)266. 參考文獻281. 設(shè)計任務(wù)1.1 設(shè)計指標(biāo)特性指標(biāo)要求： n溝多晶硅柵MOSFET：閾值電壓VTn=0.5V, 漏極飽和電流IDsat1mA, 漏源飽和電壓VDsat3V，漏源擊穿電壓BVDS=35V, 柵源擊穿電壓BVGS20V, 跨導(dǎo)gm2mS, 截止頻率fmax3GHz（遷移率µn

2、取600cm2/V·s）；p溝多晶硅柵MOSFET：閾值電壓VTp= -1V, 漏極飽和電流IDsat1mA, 漏源飽和電壓VDsat3V，漏源擊穿電壓BVDS=35V, 柵源擊穿電壓BVGS20V, 跨導(dǎo)gm0.5mS, 截止頻率fmax1GHz（遷移率µp取220cm2/V·s） 結(jié)構(gòu)參數(shù)參考值：p型硅襯底的電阻率為30 W×cm；n阱CMOS芯片的n阱摻雜后的方塊電阻為1500W/ð，結(jié)深為56mm；pMOS管的源、漏區(qū)摻雜后的表面濃度1´1020cm-3，結(jié)深為0.30.5mm；nMOS管的源、漏區(qū)摻雜后的表面濃度1´

3、;1020cm-3，結(jié)深為0.30.5mm；場氧化層厚度為1mm；墊氧化層厚度約為600 Å；柵氧化層厚度為400 Å；氮化硅膜厚約為1000 Å；多晶硅柵厚度為4000 5000 Å。1.2 設(shè)計內(nèi)容：1. MOS管的器件特性模擬與優(yōu)化（用ISE軟件）2. 結(jié)構(gòu)參數(shù)驗證3. n阱CMOS芯片制作的工藝實施方案（包括工藝流程、方法、條件、結(jié)果）2. 設(shè)計方案及步驟1. 根據(jù)參數(shù)要求計算得到理想化nMOS和pMOS的溝道W/L和襯底摻雜，設(shè)定初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)。2. 運用MDraw模塊畫出nMOS相應(yīng)圖形。3. 編寫轉(zhuǎn)移特性和輸入輸出的Dessis程序。4.

4、運行MDraw和轉(zhuǎn)移特性Dessis，先得到nMOS的轉(zhuǎn)移特性Id-Vg曲線，確定出閾值電壓。5. 調(diào)整襯底摻雜和二氧化硅層厚度及溝道長度，使閾值電壓和跨導(dǎo)達到所給參數(shù)要求。6. 運行MDraw和輸入輸出Dessis程序，得到nMOS的Id-Vd輸入輸出特性曲線。7. 在畫出不同Vg下的Id-Vd輸入輸出曲線。8. 按照上述步驟完成pMOS管的器件模擬及優(yōu)化。3. MOS管的器件特性模擬與優(yōu)化（ISE）關(guān)于ISE軟件工藝及器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE公司開發(fā)的軟件，是一種建立在物理基礎(chǔ)上的數(shù)值仿真工具，它既可以進行工藝流程的仿真、器件的描述，也可以進行器件仿真、電路性能仿真及電缺陷

5、仿真等。TCAD軟件包是由多個模塊組成的，主要是工藝仿真工具DIOS、器件生成工具MDRAW、器件仿真工具DESSIS。這些模塊都可以在GENESISe平臺中打開和運行。3.1 設(shè)計流程nMOS和pMOS器件設(shè)計流程包括利用工藝仿真工具DIOS創(chuàng)建器件結(jié)構(gòu)，然后使用器件生成工具MDRAW進行器件網(wǎng)格和摻雜的優(yōu)化，最后使用器件仿真工具DESSIS進行器件特性仿真。3.1.1 在ISE中建立一個新的項目首先進入ISE TCAD運行的Linux操作環(huán)境，進入操作界面按照Project New New Project順序進行創(chuàng)建新目錄。在工作主界面的Family Tree目錄下的No Tools邊框上

6、面，右鍵Add Add Tool Tools MDraw OK，在Create Default Experime邊框選定OK ， 之后再在MDraw 工作框上右鍵Add Add Tool Tools Dessis OK，在Add Tool邊框上點擊確定After Last Tool Apply Tools Inspect OK。這樣，工作界面Family Tree目錄下就有MDraw、Dessis這兩個模塊了。之后進行保存Project Save As 輸入工作名稱 OK就可以了，或者也可以直接點擊保存的快捷圖標(biāo)進行保存。3.1.2 建立器件結(jié)構(gòu)模型利用Mdraw模塊建立nMOS和pMOS器件

7、結(jié)構(gòu)模型，包括器件的邊界、摻雜、網(wǎng)格的劃分。首先要進行MDraw的繪制器件工作，右鍵MDraw Edit Input Boundary 進入MDraw的繪制器件結(jié)構(gòu)工作區(qū)。在MDraw繪制過程中，可以徒手繪制，這是默認(rèn)模式的繪制方式。然而在大多數(shù)情況下，需要按照器件尺寸精確繪制，這時可以從Performance Area中點擊Exact Coordinates選擇精確坐標(biāo)繪制。接下來要選擇器件的制作材料，打開Materials菜單，選擇MESFET器件材料Si。繪制器件結(jié)構(gòu)圖時，選擇Exact Coordinates，點擊Add Rectangle增加矩形框，輸入預(yù)先設(shè)計的各點坐標(biāo)，設(shè)定器件各

8、個結(jié)構(gòu)的尺寸大小。nMOS器件尺寸：溝道長度L=3.1um，源漏區(qū)長度分別是2.25um源區(qū)left=-3.75,right=-1.5,top=0,bottom=0漏區(qū)left=1.5,right=3.75,top=0,bottom=0SiO2層left=-2.625,right=2.625,top=-0.04,bottom=0Poly-Si層left=-2,right=2,top=-0.44,bottom=-0.04pMOS器件尺寸：溝道長度L=2.58um，源漏區(qū)長度分別是2.25um源區(qū)left=-3.75,right=-1.5,top=0,bottom=0漏區(qū)left=1.5,righ

9、t=3.75,top=0,bottom=0SiO2層left=-2.625,right=2.625,top=-0.04,bottom=0Poly-Si層left=-2,right=2,top=-0.44,bottom=-0.04器件結(jié)構(gòu)繪制完成后，需要在源、漏、柵的歐姆金屬和Si襯底接觸面上添加歐姆接觸層。首先Add Contact，命名接觸，然后點擊Set/Unset Contact在器件表面添加接觸。接觸設(shè)定以后，進行文件保存。器件Boundary的保存文件擴展名為 *.bnd。要保存邊界文件，打開File Save As。下一步進行腳本文件保存，F(xiàn)ile Save Scrip File。

10、腳本文件全稱為：工作文件名如SiC-MESFET /mdraw_mdr.tcl。3.1.3 進行器件摻雜進行區(qū)域摻雜，運行環(huán)境由Boundary切換到Doping。摻雜參數(shù)：nMOS：對襯底進行摻雜，襯底摻雜類型為均勻濃度摻雜，優(yōu)化后的襯底摻雜濃度為Na=1.36e+16cm-3，是B摻雜。對源漏區(qū)進行摻雜，摻雜類型為高斯摻雜，摻雜濃度為1e20,是As摻雜,節(jié)深為0.4um。對多晶硅柵進行摻雜，摻雜類型為均勻摻雜，摻雜濃度為1e20， 是As摻雜。pMOS：對襯底進行摻雜，襯底摻雜類型為均勻濃度摻雜，優(yōu)化后的襯底摻雜濃度為Na=5e14cm-3，是P摻雜。對源漏區(qū)進行摻雜，摻雜類型為高斯摻雜

11、，摻雜濃度為1e20,cm-3是B摻雜，節(jié)深為0.4um。對多晶硅柵進行摻雜，摻雜類型為均勻摻雜，摻雜濃度為1e20，是As摻雜。摻雜確定以后，點擊Build Mesh顯示摻雜后的網(wǎng)格。細(xì)化網(wǎng)格：把原始網(wǎng)格劃分成為更小的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的越小在器件仿真時更加接近器件真實情況。器件的主要工作部分是源、漏區(qū)和溝道層，有必要對溝道的網(wǎng)格進一步進行細(xì)化，以便進行仿真時，能得到更好的結(jié)果。3.2 Dessis模塊建立3.2.1 建立Dessis模塊如下圖所示，右擊Family Tree中MDraw工具，在下拉菜單Add中選擇Dessis工具加入Family Tree中。3.2.2 進行Dessis語言編程

12、在dessis_des.cmd文件中編輯nMOS和pMOS器件的仿真程序。編程語言如下：Id-Vd特性模擬：Electrode Name="source" Voltage=0 Name="drain" Voltage=0 Name="gate" Voltage=0 Name="substrate" Voltage=0 設(shè)置接觸點contact所加的電壓File Grid = "grid"Doping = "doping"Current= "plot"Plo

13、t = "dat"Output = "log"前兩行是輸入文件名，后三行為輸出文件名Plot Potential Electricfield eDensity hDensity eCurrent/Vector hCurrent/Vector TotalCurrent/Vector SRH Auger Avalanche eMobility hMobility eQuasiFermi hQuasiFermi eGradQuasiFermi hGradQuasiFermi eEparallel hEparallel eMobility hMobility e

14、Velocity hVelocity DonorConcentration Acceptorconcentration Doping SpaceCharge ConductionBand ValenceBand BandGap Affinity xMoleFraction需要求解的參數(shù)Math ExtrapolateNotDamped=100Iterations=40NewDiscretizationDerivativesRelerrControl-CheckUndefinedModels數(shù)值計算時的配置Physics Recombination( Avalanche(CarrierTempD

15、rive) Mobility(DopingDep HighFieldSaturation(CarrierTempDrive) Enormal) EffectiveIntrinsicDensity(oldSlotboom) Hydro Physics(MaterialInterface="Silicon/Oxide") charge(Conc=4.5e+10)使用的物理模型Solve Coupled( Iterations=100 )Poisson Coupled( Iterations=100 ) poisson electron 用泊松方程模擬Quasistationar

16、y (InitialStep=0.02 MaxStep=0.5 Minstep=1.e-8 Increment=1.2Goal Name="gate" Voltage=-1.4 ) Coupled poisson electron 使用準(zhǔn)靜態(tài)模型Quasistationary (InitialStep=1.e-2 MaxStep=0.01 Minstep=1.e-8 Increment=1.2Goal Name="drain" Voltage=-5 ) Coupled poisson electron 只模擬電子運動，不考慮空穴設(shè)計過程Id-Vg特性模擬

17、：Electrode Name="source" Voltage=0 Name="drain" Voltage=0 Name="gate" Voltage=1 Name="substrate" Voltage=0 設(shè)置接觸點contact所加的電壓File Grid = "grid"Doping = "doping"Current= "plot"Plot = "dat"Output = "log"前兩行是輸入文件名，

18、后三行為輸出文件名Plot Potential Electricfield eDensity hDensity eCurrent/Vector hCurrent/Vector TotalCurrent/Vector SRH Auger Avalanche eMobility hMobility eQuasiFermi hQuasiFermi eGradQuasiFermi hGradQuasiFermi eEparallel hEparallel eMobility hMobility eVelocity hVelocity DonorConcentration Acceptorconcent

19、ration Doping SpaceCharge ConductionBand ValenceBand BandGap Affinity xMoleFraction 需要求解的參數(shù)Math ExtrapolateNotDamped=100Iterations=40NewDiscretizationDerivativesRelerrControl-CheckUndefinedModels數(shù)值計算時的配置Physics Recombination( Avalanche(CarrierTempDrive) Mobility(DopingDep HighFieldSaturation(Carrier

20、TempDrive) Enormal) EffectiveIntrinsicDensity(oldSlotboom) Hydro Physics(MaterialInterface="Silicon/Oxide") charge(Conc=4.5e+10)使用的物理模型Solve Coupled( Iterations=100 )Poisson Coupled( Iterations=100 ) poisson electron Quasistationary (InitialStep=0.02 MaxStep=0.5 Minstep=1.e-8 Increment=1.2

21、Goal Name="drain" Voltage=-0.1 ) Coupled poisson electron 用泊松方程模擬 Quasistationary (InitialStep=1.e-2 MaxStep=0.01 Minstep=1.e-8 Increment=1.2Goal Name="gate" Voltage=-1.5 ) Coupled poisson electron 只模擬電子運動，不考慮空穴設(shè)計過程3.3 程序運行在MDraw和Dessis模塊建立完成后，開始run程序，將MDraw和Dessis模塊同時選定，點擊鼠標(biāo)右鍵，選

22、擇Run，等待程序Run完。3.4 查看輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)程序Run完后，此時模塊處為黃色，表示已經(jīng)完成，否則程序出現(xiàn)錯誤不能運行，那么點擊黃色小方塊右鍵選擇Inspect，此時定義X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，便可以出現(xiàn)模擬出的曲線。輸出特性：分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)四部分。nMOS：橫坐標(biāo)Vd，縱坐標(biāo)Id，圖中已有飽和區(qū)。pMOS：橫坐標(biāo)Vd，縱坐標(biāo)Id，圖中為不同柵壓下的曲線。轉(zhuǎn)移特性：場效應(yīng)管的柵壓-漏流特性曲線。nMOS：橫坐標(biāo)Vg，縱坐標(biāo)Id，圖中可觀察出閾值電壓0.5V左右。pMOS：橫坐標(biāo)Vg，縱坐標(biāo)Id，圖中可觀察出閾值電壓-1V左右。4. n阱CMOS芯片制作的工

23、藝實施方案N阱CMOS工藝采用輕摻雜P型硅晶圓片作為襯底，在襯底上做出N阱，用于制作PMOS晶體管，而在P型硅襯底上制作NMOS晶體管。以下為N阱CMOS的工藝流程：第一步（制備N型阱）在P型硅襯底上制作N阱。首先在二氧化硅層上制作（光刻、刻蝕）出N阱注入窗口，進行N阱雜志（如磷離子）的摻雜，然后重新生長薄氧和氮化硅薄層。具體步驟如下：1. 氧化P型單晶硅襯底材料其目的是在已經(jīng)清洗干凈的P型硅襯底表面生長一層很薄的二氧化硅層，作為N阱離子注入的屏蔽層。2. 在襯底表面涂上光刻膠采用光刻掩膜板使其要曝光的圖形是所需要制作N阱和相關(guān)n-型區(qū)域的圖形，光刻的結(jié)果是使制作n阱圖形上方的光刻膠易于被刻蝕

24、，刻蝕的過程采用濕法刻蝕技術(shù)，刻蝕的結(jié)果是使需要做n阱以及相關(guān)n-型區(qū)域的硅襯底裸漏出來。同時，光刻完畢后，保留光刻膠作為磷雜質(zhì)離子注入的屏蔽層。3. 離子注入磷雜質(zhì)這是一個摻雜過程，其目的是在P型的襯底上形成n型區(qū)域N阱，作為PMOS區(qū)的襯底。離子注入的結(jié)果是在注入窗口處的硅表面形成一定的n型雜質(zhì)分布，這些雜質(zhì)將作為n阱再分布的雜質(zhì)源。4. n型雜質(zhì)的退火與再分布將離子注入后的硅片去除表面所有光刻膠并清洗干凈，在氮氣環(huán)境下退火，恢復(fù)離子注入所造成的晶格損傷，退火完成后，將硅片送入高溫擴散爐進行雜質(zhì)在分布，其目的是形成所需n阱的結(jié)深，獲得一定的n型雜質(zhì)濃度分布，最終形成制備PMOS所需的n型阱

25、。第二步：有源區(qū)的制備。所謂有源區(qū)是指將要制作CMOS晶體管、電阻、接觸電極等的區(qū)域。其制備過程如下：1. 氧化：由于氮化硅和硅的晶格不相匹配，所以要先生長一 層底氧起到緩沖的作用。通過熱氧化在硅表面生長一層均勻的 氧化層，作為硅與氮化硅的緩沖層，而且這層底氧層去除后， 硅表面仍保持了較好的界面狀態(tài)。2. 沉積氮化硅：采用CVD技術(shù)在二氧化硅的上面沉積氮化硅。3. 光刻：其目的是使除有源區(qū)部分上方的光刻膠之外，其他部分的光刻膠易于刻蝕。4. 刻蝕：當(dāng)光刻膠被刻蝕之后，采用等離子體干法刻蝕技術(shù)將暴露在外面的氮化硅刻蝕掉。進而形成有源區(qū)。第三步：制備多晶柵1. 沉積與摻雜：采用CVD技術(shù)在硅片表面

26、沉積一層多晶硅薄膜，在沉積多晶硅薄膜的同時，在反應(yīng)室中通入摻雜元素，通常采用多晶硅摻磷2. 光刻：在多晶硅表面涂膠，通過光刻，是多晶硅柵上方的光刻膠不易被刻蝕，這樣通過刻蝕其他部分的光刻膠3. 刻蝕：采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉暴露在外面的多晶硅，再除去所有的光刻膠，剩下的多晶硅就是最終的多晶硅柵。第四步：P+摻雜區(qū)光刻制作PMOS晶體管的源極、漏極、柵極以及NMOS晶體管的襯底歐姆接觸（該襯底接觸時P型的，用于給NMOS晶體管的襯底接相應(yīng)電位，通常是低電平）。此時，多晶硅柵本身作為源、漏摻雜離子的掩膜（離子注入實際上被多晶硅柵阻擋，不會進入柵下的硅表面，這稱為硅柵自對準(zhǔn)工藝）。1. 光刻：其目的是

27、使制備NMOS的區(qū)域和PMOS的襯底接觸孔的區(qū)域上方的光刻膠不易被刻蝕。2. 離子注入：在刻蝕掉光刻膠之后進行高濃度的硼離子注入，這樣在PMOS管的源漏區(qū)和NMOS的襯底接觸孔區(qū)形成了重?fù)诫s接觸區(qū)，而PMOS溝道區(qū)由于多晶硅柵的屏蔽而不受到任何影響。第五步：N+摻雜區(qū)光刻N+區(qū)掩膜是P+區(qū)的負(fù)版，即硅片上所有非P+區(qū)均進行N+離子的摻雜。由于只有有源區(qū)域是薄氧化層，因此利用硅柵自對準(zhǔn)即完成NMOS晶體管的源、漏、柵以及PMOS晶體管的襯底歐姆接觸（即N阱的歐姆接觸，通常接高電平）。然后生長氧化層。第六步：制備接觸孔1. 沉積與刻蝕：采用CVD技術(shù)在硅片表面沉積一層較厚的二氧化硅薄膜，然后在表面

28、涂膠，再利用光刻掩膜版進行光刻，是接觸孔區(qū)的膠易于被刻蝕。2. 刻蝕：除去接觸孔區(qū)的光刻膠，再采用濕法刻蝕工藝除去接觸孔區(qū)的所有的二氧化硅，同時采用低溫回流技術(shù)使硅片上臺階的陡度降低，其目的是改善金屬引線的斷條情況。第七步：光刻鋁線通過濺射的方法在硅表面沉積一層金屬層，作為金屬引線材料，然后在金屬表面涂上光刻膠再利用光刻掩膜版進行光刻，使引線隔離區(qū)的光刻膠易于被刻蝕，除去這部分光刻膠，再采用干法刻蝕其下方的金屬鋁。第八步：鈍化處理在硅圓片的表面涂上鈍化材料，一般采用磷硅玻璃。然后通過光刻和刻蝕工藝將PAD上的鈍化刻蝕掉，作為與外界的連結(jié)點，而硅片的其他部分都有鈍化層的保護。鈍化層可以有效地防止

29、外界對器件表面的影響，從而保證了器件及電路的穩(wěn)定性。工藝步驟工藝名稱工藝目的設(shè)計目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)工藝方法工藝條件1襯底選擇襯底電阻率30 W×cm晶向<100>2外延可獲得完美，理想的硅材料，并實現(xiàn)摻入雜質(zhì)均勻分布厚度：10um低壓外延摻雜劑B離子3一次氧化為n阱注入提供氧化膜提供掩蔽膜厚度：0.223um干氧-濕氧-干氧時間15min-25min-15min4一次光刻為n阱注入提供擴散窗口（1） 投影式光學(xué)曝光（2） 干法刻蝕正膠 5一次離子注入形成n阱區(qū)域結(jié)深：5um方塊電阻:1500W/ð雜質(zhì)為p離子離子能量50KeV6二次氧化生長墊氧化層為淀積Si3N4做準(zhǔn)

30、備厚度600Å干氧溫度1000時間：102min7CVD淀積Si3N4為場氧的生長提供掩蔽膜厚度1000ÅLPCVD反應(yīng)劑：SiH4,NH3壓強90Pa溫度8258二次光刻為場氧的生長提供窗口(1) 投影式光學(xué)曝光(2) 干法刻蝕正膠9三次氧化生長場氧，實現(xiàn)器件的隔離濕氧10刻蝕出去Si3N4薄膜及有源區(qū)SiO2干法刻蝕11四次氧化生長柵氧，為mos電容提供介質(zhì)層厚度400Å干氧溫度1000時間65min12二次離子注入調(diào)整pmos的閾值電壓結(jié)深0.2um表面濃度2.26e6cm-3雜質(zhì)層P離子能量50KeV13二次CVD淀積多晶硅，提供多晶硅電極厚度4500&#

31、197;LPCVD反應(yīng)劑SiH4溫度620生長速率100Å/min時間45min14三次光刻光刻多晶硅，形成多晶硅柵極(1) 投影式光學(xué)曝光(2) 干法刻蝕反膠15三次離子注入形成nmos的源漏區(qū)結(jié)深表面濃度1e20cm-3雜質(zhì)P離子能量40KeV劑量1e15cm-316四次離子注入形成PMOS的源漏區(qū)結(jié)深0.3-0.5um 表面濃度1e20cm-3雜質(zhì)P離子能量40KeV劑量8.5e14Cm-35. 課程設(shè)計總結(jié)兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也提高了我處理事情的能力。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，

32、學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程“千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我認(rèn)真的進行課程設(shè)計，腳踏實地邁開 這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的 基礎(chǔ)通過這次N阱CMOS的設(shè)計，覺得自己WO，本”們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著學(xué)習(xí)的知識，也培17171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171