nmos和pmos设计Word文档下载推荐.docx
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1.2设计内容：
1.MOS管的器件特性模拟与优化（用ISE软件）
2.结构参数验证
3.n阱CMOS芯片制作的工艺实施方案（包括工艺流程、方法、条件、结果）
2.设计方案及步骤
1.根据参数要求计算得到理想化nMOS和pMOS的沟道W/L和衬底掺杂，设定初始的结构参数。
2.运用MDraw模块画出nMOS相应图形。
3.编写转移特性和输入输出的Dessis程序。
4.运行MDraw和转移特性Dessis，先得到nMOS的转移特性Id-Vg曲线，确定出阈值电压。
5.调整衬底掺杂和二氧化硅层厚度及沟道长度，使阈值电压和跨导达到所给参数要求。
6.运行MDraw和输入输出Dessis程序，得到nMOS的Id-Vd输入输出特性曲线。
7.在画出不同Vg下的Id-Vd输入输出曲线。
8.按照上述步骤完成pMOS管的器件模拟及优化。
3.MOS管的器件特性模拟与优化（ISE）
关于ISE软件
工艺及器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE公司开发的软件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，它既可以进行工艺流程的仿真、器件的描述，也可以进行器件仿真、电路性能仿真及电缺陷仿真等。
TCAD软件包是由多个模块组成的，主要是工艺仿真工具DIOS、器件生成工具MDRAW、器件仿真工具DESSIS。
这些模块都可以在GENESISe平台中打开和运行。
3.1设计流程
nMOS和pMOS器件设计流程包括利用工艺仿真工具DIOS创建器件结构，然后使用器件生成工具MDRAW进行器件网格和掺杂的优化，最后使用器件仿真工具DESSIS进行器件特性仿真。
3.1.1在ISE中建立一个新的项目
首先进入ISETCAD运行的Linux操作环境，进入操作界面按照Project→New→NewProject顺序进行创建新目录。
在工作主界面的FamilyTree目录下的NoTools边框上面，右键Add→AddTool→Tools→MDraw→OK，在CreateDefaultExperime边框选定OK，
之后再在MDraw工作框上右键Add→AddTool→Tools→Dessis→OK，在AddTool边框上点击确定AfterLastTool→Apply→Tools→Inspect→OK。
这样，工作界面FamilyTree目录下就有MDraw、Dessis这两个模块了。
之后进行保存Project→SaveAs→输入工作名称→OK就可以了，或者也可以直接点击保存的快捷图标进行保存。
3.1.2建立器件结构模型
利用Mdraw模块建立nMOS和pMOS器件结构模型，包括器件的边界、掺杂、网格的划分。
首先要进行MDraw的绘制器件工作，右键MDraw→EditInput→Boundary进入MDraw的绘制器件结构工作区。
在MDraw绘制过程中，可以徒手绘制，这是默认模式的绘制方式。
然而在大多数情况下，需要按照器件尺寸精确绘制，这时可以从PerformanceArea中点击ExactCoordinates选择精确坐标绘制。
接下来要选择器件的制作材料，打开Materials菜单，选择MESFET器件材料Si。
绘制器件结构图时，选择ExactCoordinates，点击AddRectangle增加矩形框，输入预先设计的各点坐标，设定器件各个结构的尺寸大小。
nMOS器件尺寸：
沟道长度L=3.1um，源漏区长度分别是2.25um
源区left=-3.75,right=-1.5,top=0,bottom=0
漏区left=1.5,right=3.75,top=0,bottom=0
SiO2层left=-2.625,right=2.625,top=-0.04,bottom=0
Poly-Si层left=-2,right=2,top=-0.44,bottom=-0.04
pMOS器件尺寸：
沟道长度L=2.58um，源漏区长度分别是2.25um
器件结构绘制完成后，需要在源、漏、栅的欧姆金属和Si衬底接触面上添加欧姆接触层。
首先AddContact，命名接触，然后点击Set/UnsetContact在器件表面添加接触。
接触设定以后，进行文件保存。
器件Boundary的保存文件扩展名为*.bnd。
要保存边界文件，打开File→SaveAs。
下一步进行脚本文件保存，File→SaveScripFile。
脚本文件全称为：
工作文件名如SiC-MESFET/mdraw_mdr.tcl。
3.1.3进行器件掺杂
进行区域掺杂，运行环境由Boundary切换到Doping。
掺杂参数：
nMOS：
对衬底进行掺杂，衬底掺杂类型为均匀浓度掺杂，优化后的衬底掺杂浓度为Na=1.36e+16cm-3，是B掺杂。
对源漏区进行掺杂，掺杂类型为高斯掺杂，掺杂浓度为1e20,是As掺杂,节深为0.4um。
对多晶硅栅进行掺杂，掺杂类型为均匀掺杂，掺杂浓度为1e20，是As掺杂。
pMOS：
对衬底进行掺杂，衬底掺杂类型为均匀浓度掺杂，优化后的衬底掺杂浓度为Na=5e14cm-3，是P掺杂。
对源漏区进行掺杂，掺杂类型为高斯掺杂，掺杂浓度为1e20,cm-3是B掺杂，节深为0.4um。
对多晶硅栅进行掺杂，掺杂类型为均匀掺杂，掺杂浓度为1e20，是As掺杂。
掺杂确定以后，点击BuildMesh显示掺杂后的网格。
细化网格：
把原始网格划分成为更小的网格，网格划分的越小在器件仿真时更加接近器件真实情况。
器件的主要工作部分是源、漏区和沟道层，有必要对沟道的网格进一步进行细化，以便进行仿真时，能得到更好的结果。
3.2Dessis模块建立
3.2.1建立Dessis模块
如下图所示，右击FamilyTree中MDraw工具，在下拉菜单Add中选择Dessis工具加入FamilyTree中。
3.2.2进行Dessis语言编程
在dessis_des.cmd文件中编辑nMOS和pMOS器件的仿真程序。
编程语言如下：
Id-Vd特性模拟：
Electrode{
{Name="
source"
Voltage=0}
drain"
gate"
substrate"
}设置接触点contact所加的电压
File{
Grid="
@grid@"
Doping="
@doping@"
Current="
@plot@"
Plot="
@dat@"
Output="
@log@"
}前两行是输入文件名，后三行为输出文件名
Plot{
PotentialElectricfield
eDensityhDensity
eCurrent/VectorhCurrent/Vector
TotalCurrent/Vector
SRHAugerAvalanche
eMobilityhMobility
eQuasiFermihQuasiFermi
eGradQuasiFermihGradQuasiFermi
eEparallelhEparallel
eVelocityhVelocity
DonorConcentrationAcceptorconcentration
DopingSpaceCharge
ConductionBandValenceBand
BandGapAffinity
xMoleFraction
}需要求解的参数
Math{
Extrapolate
NotDamped=100
Iterations=40
NewDiscretization
Derivatives
RelerrControl
-CheckUndefinedModels
}数值计算时的配置
Physics{
Recombination（Avalanche（CarrierTempDrive））
Mobility（DopingDepHighFieldSaturation（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）{poissonelectron}用泊松方程模拟
Quasistationary（
InitialStep=0.02MaxStep=0.5Minstep=1.e-8Increment=1.2
Goal{Name="
Voltage=-1.4}
）{
Coupled{poissonelectron}
}使用准静态模型
InitialStep=1.e-2MaxStep=0.01Minstep=1.e-8Increment=1.2
Goal{Name="
Voltage=-5}
Coupled{poissonelectron}
}只模拟电子运动，不考虑空穴
}设计过程
Id-Vg特性模拟：
Voltage=1}
}前两行是输入文件名，后三行为输出文件名
}需要求解的参数
Coupled（Iterations=100）{poissonelectron}
Quasistationary（
Voltage=-0.1}
Coupled{poissonelectron}用泊松方程模拟
Voltage=-1.5}
Coupled{poissonelectron}只模拟电子运动，不考虑空穴
3.3程序运行
在MDraw和Dessis模块建立完成后，开始run程序，将MDraw和Dessis模块同时选定，点击鼠标右键，选择Run，等待程序Run完。
3.4查看输出特性曲线和转移特性曲线
当程序Run完后，此时模块处为黄色，表示已经完成，否则程序出现错误不能运行，那么点击黄色小方块右键选择Inspect，此时定义X坐标和Y坐标，便可以出现模拟出的曲线。
3.4.1输出特性：
分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区四部分。
横坐标Vd，纵坐标Id，图中已有饱和区。
横坐标Vd，纵坐标Id，图中为不同栅压下的曲线。
3.4.2转移特性：
场效应管的栅压---漏流特性曲线。
横坐标Vg，纵坐标Id，图中可观察出阈值电压0.5V左右。
横坐标Vg，纵坐标Id，图中可观察出阈值电压-1V左右。
4.n阱CMOS芯片制作的工艺实施方案
N阱CMOS工艺采用轻掺杂P型硅晶圆片作为衬底，在衬底上做出N阱，用于制作PMOS晶体管，而在P型硅衬底上制作NMOS晶体管。
以下为N阱CMOS的工艺流程：
第一步（制备N型阱）
在P型硅衬底上制作N阱。
首先在二氧化硅层上制作（光刻、刻蚀）出N阱注入窗口，进行N阱杂志（如磷离子）的掺杂，然后重新生长薄氧和氮化硅薄层。
具体步骤如下：
1.氧化P型单晶硅衬底材料
其目的是在已经清洗干净的P型硅衬底表面生长一层很薄的二氧化硅层，作为N阱离子注入的屏蔽层。
2.在衬底表面涂上光刻胶
采用光刻掩膜板使其要曝光的图形是所需要制作N阱和相关n-型区域的图形，光刻的结果是使制作n阱图形上方的光刻胶易于被刻蚀，刻蚀的过程采用湿法刻蚀技术，刻蚀的结果是使需要做n阱以及相关n-型区域的硅衬底裸漏出来。
同时，光刻完毕后，保留光刻胶作为磷杂质离子注入的屏蔽层。
3.离子注入磷杂质
这是一个掺杂过程，其目的是在P型的衬底上形成n型区域——N阱，作为PMOS区的衬底。
离子注入的结果是在注入窗口处的硅表面形成一定的n型杂质分布，这些杂质将作为n阱再分布的杂质源。
4.n型杂质的退火与再分布
将离子注入后的硅片去除表面所有光刻胶并清洗干净，在氮气环境下退火，恢复离子注入所造成的晶格损伤，退火完成后，将硅片送入高温扩散炉进行杂质在分布，其目的是形成所需n阱的结深，获得一定的n型杂质浓度分布，最终形成制备PMOS所需的n型阱。
第二步：
有源区的制备。
所谓有源区是指将要制作CMOS晶体管、电阻、接触电极等的区域。
其制备过程如下：
1.氧化：
由于氮化硅和硅的晶格不相匹配，所以要先生长一层底氧起到缓冲的作用。
通过热氧化在硅表面生长一层均匀的氧化层，作为硅与氮化硅的缓冲层，而且这层底氧层去除后，硅表面仍保持了较好的界面状态。
2.沉积氮化硅：
采用CVD技术在二氧化硅的上面沉积氮化硅。
3.光刻：
其目的是使除有源区部分上方的光刻胶之外，其他部分的光刻胶易于刻蚀。
4.刻蚀：
当光刻胶被刻蚀之后，采用等离子体干法刻蚀技术将暴露在外面的氮化硅刻蚀掉。
进而形成有源区。
第三步：
制备多晶栅
1.沉积与掺杂：
采用CVD技术在硅片表面沉积一层多晶硅薄膜，在沉积多晶硅薄膜的同时，在反应室中通入掺杂元素，通常采用多晶硅掺磷
2.光刻：
在多晶硅表面涂胶，通过光刻，是多晶硅栅上方的光刻胶不易被刻蚀，这样通过刻蚀其他部分的光刻胶
3.刻蚀：
采用干法刻蚀技术刻蚀掉暴露在外面的多晶硅，再除去所有的光刻胶，剩下的多晶硅就是最终的多晶硅栅。
第四步：
P+掺杂区光刻
制作PMOS晶体管的源极、漏极、栅极以及NMOS晶体管的衬底欧姆接触（该衬底接触时P型的，用于给NMOS晶体管的衬底接相应电位，通常是低电平）。
此时，多晶硅栅本身作为源、漏掺杂离子的掩膜（离子注入实际上被多晶硅栅阻挡，不会进入栅下的硅表面，这称为硅栅自对准工艺）。
1.光刻：
其目的是使制备NMOS的区域和PMOS的衬底接触孔的区域上方的光刻胶不易被刻蚀。
2.离子注入：
在刻蚀掉光刻胶之后进行高浓度的硼离子注入，这样在PMOS管的源漏区和NMOS的衬底接触孔区形成了重掺杂接触区，而PMOS沟道区由于多晶硅栅的屏蔽而不受到任何影响。
第五步：
N+掺杂区光刻
N+区掩膜是P+区的负版，即硅片上所有非P+区均进行N+离子的掺杂。
由于只有有源区域是薄氧化层，因此利用硅栅自对准即完成NMOS晶体管的源、漏、栅以及PMOS晶体管的衬底欧姆接触（即N阱的欧姆接触，通常接高电平）。
然后生长氧化层。
第六步：
制备接触孔
1.沉积与刻蚀：
采用CVD技术在硅片表面沉积一层较厚的二氧化硅薄膜，然后在表面涂胶，再利用光刻掩膜版进行光刻，是接触孔区的胶易于被刻蚀。
2.刻蚀：
除去接触孔区的光刻胶，再采用湿法刻蚀工艺除去接触孔区的所有的二氧化硅，同时采用低温回流技术使硅片上台阶的陡度降低，其目的是改善金属引线的断条情况。
第七步：
光刻铝线
通过溅射的方法在硅表面沉积一层金属层，作为金属引线材料，然后在金属表面涂上光刻胶再利用光刻掩膜版进行光刻，使引线隔离区的光刻胶易于被刻蚀，除去这部分光刻胶，再采用干法刻蚀其下方的金属铝。
第八步：
钝化处理
在硅圆片的表面涂上钝化材料，一般采用磷硅玻璃。
然后通过光刻和刻蚀工艺将PAD上的钝化刻蚀掉，作为与外界的连结点，而硅片的其他部分都有钝化层的保护。
钝化层可以有效地防止外界对器件表面的影响，从而保证了器件及电路的稳定性。
工艺
步骤
工艺名称
工艺目的
设计目标结构参数
工艺方法
工艺条件
1
衬底选择
衬底
电阻率30cm
晶向<
100>
2
外延
可获得完美，理想的硅材料，并实现掺入杂质均匀分布
厚度：
10um
低压外延
掺杂剂
B离子
3
一次氧化
为n阱注入提供氧化膜提供掩蔽膜
0.223um
干氧-湿氧-干氧
时间15min-25min-15min
4
一次光刻
为n阱注入提供扩散窗口
（1）投影式光学曝光
（2）干法刻蚀
正胶
5
一次离子注入
形成n阱区域
结深：
5um
方块电阻:
1500/
杂质为p离子
离子能量50KeV
6
二次氧化
生长垫氧化层为淀积Si3N4做准备
厚度600Å
干氧
温度1000℃
时间：
102min
7
CVD
淀积Si3N4为场氧的生长提供掩蔽膜
厚度1000Å
LPCVD
反应剂：
SiH4,NH3
压强90Pa
温度825℃
8
二次光刻
为场氧的生长提供窗口
正胶
9
三次氧化
生长场氧，实现器件的隔离
湿氧
10
刻蚀
出去Si3N4薄膜及有源区SiO2
干法刻蚀
11
四次氧化
生长栅氧，为mos电容提供介质层
厚度400Å
时间65min
12
二次离子注入
调整pmos的阈值电压
结深0.2um
表面浓度2.26e6cm-3
杂质层
P离子
能量50KeV
13
二次CVD
淀积多晶硅，提供多晶硅电极
厚度4500Å
LPCVD反应剂SiH4
温度620℃
生长速率100Å
/min
时间45min
14
三次光刻
光刻多晶硅，形成多晶硅栅极
反胶
15
三次离子注入
形成nmos的源漏区
结深0.3-0.5um
表面浓度1e20cm-3
杂质P
升级会员 