亞微米BiCMOS[B]芯片及其剖面結(jié)構(gòu)與制程技術(shù)分享

1 亞微米 BiCMOS[B] 技術(shù)的主要特點(diǎn)

BiCMOS[B]的 Twin-Well[1]與P-Well[2]或 N-Well[3] 的制造技術(shù)有很大的不同。主要是 CMOS 特征尺寸為亞微米級(jí)，使制造技術(shù)發(fā)生了重要的變化。

由于器件尺寸縮小，柵氧化膜的厚度也要求按比例減薄，這主要是為了防止短溝效應(yīng)。薄柵氧化膜要達(dá)到其高質(zhì)量的指標(biāo)：低的缺陷密度，好的抗雜質(zhì)擴(kuò)散的勢(shì)壘特性，具有低的界面態(tài)密度和固定電荷的Si/SiO2 界面，在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下的穩(wěn)定性以及低的熱預(yù)算(溫度時(shí)間乘積量)工藝。

在亞微米制造技術(shù)中，P 溝道區(qū)的注入一般需要作兩次注入，其中一次用于調(diào)整閾值電壓，另一次用于抑制穿通效應(yīng)。抑制穿通的注入通常是高能量，較高劑量，注入峰值較深（延伸至源－漏耗盡區(qū)附近）；而調(diào)節(jié)閾值電壓注入一般能量較低，注入峰值位于表面附近。因此柵下的雜質(zhì)分布不僅決定于襯底摻雜，而且還決定于注入雜質(zhì)，因而溝道區(qū)雜質(zhì)呈非均勻分布。

在亞微米技術(shù)中，為了抑制 CMOS 穿通電流和減小短溝道效應(yīng)，工藝要求更淺的源漏結(jié)深，達(dá)到淺結(jié)。工藝對(duì) PN 結(jié)有很高的要求：高的表面濃度，淺的結(jié)深，低接觸薄層電阻以及很小的結(jié)漏電流。

在淺 的 N+P 結(jié)中，可用 75As+ 注入來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于砷離子相當(dāng)重，因而可使被注入?yún)^(qū)硅表面變?yōu)闊o(wú)定形，此時(shí)，只要在 900 ℃ 較低溫度下退火，即可由固相外延形成再結(jié)晶，相應(yīng)擴(kuò)散卻相當(dāng)小，因此可實(shí)現(xiàn) N+P 淺結(jié)。還需要 P+N 淺結(jié)。采用 49BF2+ 注入, 由于 49BF2+ 質(zhì)量大，并能將結(jié)深降到單用 11B+ 時(shí)的四分之一，來(lái)制作 P+N 淺結(jié)。

在淺結(jié)歐姆接觸中，Al-Si 互擴(kuò)散產(chǎn)生的結(jié)漏電，穿通等是影響器件熱穩(wěn)定性，甚至造成器件失效的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，為此采用在 Al 層和 Si 之間加一擴(kuò)散阻擋層的方法，通常選用 TiN 膜，這是因?yàn)?TiN 熱穩(wěn)定性好。

輕摻雜漏 LDD 結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于亞微米或深亞微米 MOS 器件中，以提高源漏穿通電壓和減少高電場(chǎng)引入的熱載流子注入問(wèn)題。具有代表性的結(jié)構(gòu)和技術(shù)有利用 TEOS 側(cè)墻制作對(duì)稱 LDD 結(jié)構(gòu)，它的形成方法就是在柵和源漏的重?fù)诫s區(qū)之間引入一個(gè)輕摻雜區(qū)。這樣，N+ 或 P+ 區(qū)注入雜質(zhì)不會(huì)在柵下面發(fā)生橫向擴(kuò)散，但會(huì)在側(cè)墻下面擴(kuò)散。

本文提出， 為了直觀顯示出雙極型與 CMOS 器件兼容集成的亞微米 BiCMOS[B] 結(jié)構(gòu)，應(yīng)用芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)[4-6]，可以得到芯片剖面結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)和它所提供的軟件，描繪出制程中芯片表面﹑內(nèi)部器件以及互連的形成過(guò)程和結(jié)構(gòu)的變化的示意圖。

2 亞微米芯片剖面結(jié)構(gòu)

應(yīng)用芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)[4-6]，使用計(jì)算機(jī)和它所提供的軟件，可以得到亞微米 BiCMOS[B] 芯片典型剖面結(jié)構(gòu)。首先由設(shè)計(jì)人員在電路中找出各種典型元器件： NMOS， PMOS， NPN （縱向）以及 PNP（橫向）。然后由制造人員對(duì)這些元器件進(jìn)行剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取剖面結(jié)構(gòu)各層統(tǒng)一適當(dāng)?shù)某叽绾筒煌臉?biāo)識(shí)，表示制程中各工藝完成后的層次，設(shè)計(jì)得到可以互相拼接得很好的各元器件結(jié)構(gòu)（或在元器件結(jié)構(gòu)庫(kù)中選?。?，分別如圖 1[A]﹑[B]﹑[C] 以及 [D] 等所示（不要把它們看作連接在一起）。最后把各元器件結(jié)構(gòu)依一定方式排列并拼接起來(lái)，構(gòu)成電路芯片剖面結(jié)構(gòu)，圖 1 為其示意圖。

圖 1 芯片剖面結(jié)構(gòu)是以雙極型制程及其所制得的元器件為基礎(chǔ)，引入兼容的 CMOS 器件工藝，最終在同一硅襯底上形成 IC 中主要器件。而圖 1-B的芯片剖面結(jié)構(gòu)中，除了圖 1-A 的四種器件外，還有其它無(wú)源器件：如位于場(chǎng)區(qū)上的雙層 Poly 電容和 Poly 電阻等；或襯底 MOS 電容（或雙極型電容）和 N-Well 電阻（或基區(qū)電阻）；或采用摻雜 N+Poly 與硅表面直接相接形成淺發(fā)射區(qū)的結(jié)構(gòu)來(lái)代替圖中 NPN 結(jié)構(gòu)，來(lái)提高電路速度；或它們之間的不同結(jié)合，就形成多種不同的復(fù)雜的 BiCMOS[B] 結(jié)構(gòu)，可選用其中一種與設(shè)計(jì)電路直接相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)。限有篇幅，本文僅介紹圖 1-A 技術(shù)。

3 亞微米芯片工藝技術(shù)

設(shè)計(jì)電路 CMOS 采用 0.8μm/雙極型為2～ 3μm 設(shè)計(jì)規(guī)則，使用1～2μm 薄外延的亞微米BiCMOS[B] 制造技術(shù)。該電路主要元器件﹑制造技術(shù)以及主要參數(shù)如表1所示。它以雙極型制程及其所制得的元器件為基礎(chǔ)，引入兼容的 CMOS 器件工藝，并對(duì)其中芯片結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行改變，以制得 CMOS 器件的相容技術(shù)，最終在同一硅襯底上形成如表 1 所示的 IC 中主要元器件，并使之互連，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的電路。該電路或各層版圖己變換為縮小的各層平面和剖面結(jié)構(gòu)圖形的 IC 芯片。如果所得到的工藝與電學(xué)參數(shù)都適合于所設(shè)計(jì)電路的要求， 則芯片功能和電氣性能都能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)亞微米 BiCMOS[B] 技術(shù)，對(duì)雙極型制造工藝作如下的改變。

（1）在自對(duì)準(zhǔn)形成 BLN+ 埋層﹑BLP+ 埋層和 P型薄層外延后，分別引入 11B+﹑31P+ 注入并推進(jìn)，生成與埋層相接的 Twin-Well，同時(shí)形成雙極型隔離；引入場(chǎng)區(qū)注入，硅局部氧化，形成 CMOS 隔離；

（2）在基區(qū)推進(jìn)后，引入溝道防穿通注入和閾值調(diào)節(jié)注入，柵氧化以及 Poly 淀積并摻雜，LDD 注入，TEOS 淀積，刻蝕形成亞微米 CMOS 硅柵結(jié)構(gòu)及其側(cè)墻；

（3）75As+ 或 49BF2+ 注入，生成 N+ 或 P+ 區(qū)為雙極型的 E/C 摻雜區(qū)和 Pb 基區(qū)接觸同時(shí)，引入形成源漏摻雜區(qū)。上述引入這些基本工藝，使雙極型芯片結(jié)構(gòu)和制程都發(fā)生了明顯的變化。工藝完成后，以制得 NMOS[A] 與 PMOS[B] 和縱向 NPN[C] 與橫向PNP，并用亞微米 BiCMOS[B] 來(lái)表示。

表 1 中的參數(shù)： P- 型外延層厚度為 TP-EPI，深磷區(qū)（DN）結(jié)深/薄層電阻為 XjDN / RSDNN+ 結(jié)深/ 薄層電阻為 XjN+ / RSN+，P+ 結(jié)深/薄層電阻為 XjP+ / RSP+，基區(qū)結(jié)深/薄層電阻為 XjPb / RSPb，埋層結(jié)深/薄層電阻為 XjBL / RSBL，其它參數(shù)符號(hào)與通常表示相同。

根據(jù)電路電氣特性指標(biāo)，確定用于芯片制造的基本參數(shù)，如表 1 所示。為此，芯片制程工藝中，一方面要確保工藝參數(shù)，電學(xué)參數(shù)都達(dá)到規(guī)范值，另一方面批量生產(chǎn)中要確保電路具有高成品率，高性能以及高可靠性。根據(jù)電路電氣特性的指標(biāo)，提出對(duì)各種參數(shù)：（1）工藝參數(shù)如各種摻雜濃度及其分布﹑結(jié)深﹑柵氧化層厚度﹑基區(qū)寬度等；（2）電學(xué)參數(shù)如各種薄層電阻﹑源漏擊穿電壓﹑閾值電壓﹑CB/CE 擊穿電壓﹑放大系數(shù)β等以及（3）硅襯底電阻率/外延層厚度及其電阻率等要求，從而制定出各工序具體工藝條件，以保證所要求的各種參數(shù)都達(dá)到規(guī)范值。

4 亞微米芯片工藝制程

圖 1 所示的芯片結(jié)構(gòu)采用確定的制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是由工藝規(guī)范確定的各個(gè)基本工序﹑相互關(guān)聯(lián)以及將其按一定順序組合構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)此制程，上面（1）～（3）引入這些基本工藝，不僅增加了制造工藝，技術(shù)難度增大，使芯片結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，而且改變了雙極型制程，從而實(shí)現(xiàn)了亞微米BiCMOS[B] 制程。

為實(shí)現(xiàn)此制程，需要作多次氧化﹑光刻﹑雜質(zhì)擴(kuò)散﹑離子注入﹑薄膜淀積以及濺射金屬等構(gòu)成基本工序。這些工序提供了形成電路中各個(gè)元器件 NMOS，PMOS，NPN（縱向），PNP（橫向）等所需要的精確控制的硅中的雜質(zhì)層（BLN+，BLP+，P-EPI，DN，N-Well，P-Well，PF，NF，Pb，N+SN-，P+SP-， N+Poly等），也提供了這些電路元器件連接起來(lái)形成集成電路所需要的介質(zhì)層（F-Ox，G-Ox， Poly-Ox，BPSG / LTO，TEOS等）和金屬層（AlCu）。這些都必須按給定的順序進(jìn)行的制造步驟構(gòu)成了制程。

應(yīng)用計(jì)算機(jī)，依據(jù)芯片制造工藝中的各個(gè)工序的先后次序，把各個(gè)工序互相連接起來(lái)，可以得到芯片制程，。該制程由各工序所組成，而工序則由各工步所組成來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)電路的電氣特性要求，選擇工藝規(guī)范號(hào)和工藝序號(hào)，以便得到所需要的工藝和電學(xué)參數(shù)。

應(yīng)用芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)[4]，可以得到圖 1 芯片剖面結(jié)構(gòu)，使用計(jì)算機(jī)和它所提供的軟件，描繪出芯片制程中各個(gè)工序剖面結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個(gè)工序的先后次序互相連接起來(lái)，得到如圖2所示的亞微米 BiCMOS[B] 制程剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該圖直觀地顯示出制程中芯片表面﹑內(nèi)部元器件以及互連的形成過(guò)程和結(jié)構(gòu)的變化。

（1）襯底材料 P-Si <100>，基底氧化（Pad-Ox）， Si3N4 淀積（1），光刻 BLN+ 埋層， 刻蝕 Si3N4 ，腐蝕 SiO2，BLN+ 區(qū)氧化（BLN+-Ox）， 121Sb+ 注入，如圖 2-1 所示。

（2）注入退火，BLN+ 區(qū)推進(jìn)/氧化（BLN+ -Ox），二層（SiON/Si3N4）腐蝕，BLP+ 埋層 11B+ 注入，如圖 2-2 所示。

（3）注入退火，BLP+ 埋層推進(jìn)， 腐蝕凈 SiO2 ， P- 型薄層外延（P-EPI），基底氧化（Pad-Ox），Si3N4（2）淀積，光刻 N-Well， 刻蝕 Si3N4，31P+ 注入，如圖 2-3 所示。

（4）注入退火，N-Well 推進(jìn)/氧化（N-Well-Ox），二層（SiON/Si3N4）腐蝕，P-Well 11B+ 注入，如圖 2-4 所示。

（5）注入退火，P/N-Well 推進(jìn)/氧化，光刻DN區(qū)，腐蝕 SiO2 ， DN 區(qū)氧化（DN-Ox），31P+ 注入，DN 區(qū)推進(jìn)/氧化，如圖2-5 所示。

（6）腐蝕凈 SiO2， 出現(xiàn) P-Well 平面高于 N-Well，基底氧化（Pad-Ox），Poly /Si3N4（3）淀積，光刻源區(qū)，刻蝕 Si3N4 /Poly，如圖 2-6 所示。

（7）光刻 P 場(chǎng)區(qū)，APT.（防穿通）11B+ 深注入，11B+ 淺注入，如圖 2-7 所示。

（8）光刻 N 場(chǎng)區(qū)，75As+ 注入，如圖 2-8 所示。

（9）注入退火，場(chǎng)區(qū)氧化（F-Ox），形成四層（SiON / Si3N4 / Poly / SiO2）結(jié)構(gòu)，如圖 2-9 所示。

（10）四層（SiON / Si3N4 / Poly / SiO2）腐蝕，預(yù)柵氧化（Pre-Gox）， 光刻 Pb 基區(qū)，11B+ 注入，如圖 2-10 所示。

（11）注入退火，Pb 基區(qū)推進(jìn)，光刻 N 溝道區(qū)，49BF2+ 注入，如圖 2-11 所示。

（12）光刻 P 溝道區(qū)，APT.31P+ 深注入，49BF2+ 淺注入，如圖 2-12 所示。

（13）腐蝕預(yù)柵氧化層，注入退火，柵氧化（G-Ox），Poly 淀積并摻雜，光刻 Poly，刻蝕 Poly，此時(shí) N-Well 與 Poly 之間出現(xiàn)防穿通區(qū)，如圖 2-13 所示。

（14）Poly 氧化（Poly-Ox），光刻 NLDD 區(qū)，31P+ 注入（Poly 注入未標(biāo)出），如圖 2-14 所示。

（15）光刻 PLDD 區(qū)，49BF2+ 注入（Poly 注入未標(biāo)出），如圖 2-15 所示。

（16）注入退火，形成 SN-，SP- 區(qū)，TEOS 淀積/致密，刻蝕形成 TEOS 側(cè)墻，源漏氧化（S /D-Ox），如圖 2-16 所示。

（17）光刻 N+ 區(qū)，75As+ 注入（Poly 注入未標(biāo)出），如圖 2-17 所示。

（18）光刻 P+ 區(qū)，49BF2+ 注入（Poly 注入未標(biāo)出），如圖 2-18 所示。

（19）注入退火，形成 N+SN-，P+SP- 區(qū)（圖中未標(biāo)出 SN-，SP-），LTO/BPSG 淀積/致密，光刻接觸孔，刻蝕 BPSG / LTO / SiO2，如圖 2-19 所示。

（20）濺射 Ti/TiN， RTA N2 退火，濺射金屬（Metal），光刻金屬， 刻蝕 TiN / AlCu / TiN / Ti ， 如圖 2-20 所示。

從亞微米 BiCMOS[B] 制程和剖面結(jié)構(gòu)可以看出，阱區(qū)是由向 P 型襯底生長(zhǎng)出 P- 型外延層中擴(kuò)散 N﹑ P 型雜質(zhì)而制成。阱界面場(chǎng)區(qū)氧化表面具有臺(tái)階結(jié)構(gòu)。PMOS﹑縱向 NPN﹑橫向 PNP 都是在 N-Well 中制作， NMOS 是在 P-Well 中形成。該制程的主要特點(diǎn)如下。

（1）器件隔離是由硅局部氧化（LOCOS）和對(duì)通隔離（P-Well / BLP+）構(gòu)成。

（2）形成雙極型器件的基底與 PMOS 的 N-Well深度和濃度相同。

（3）PNP 的發(fā)射區(qū)/集電區(qū)和基區(qū)（Pb）接觸的P+ 摻雜同時(shí)，在 N-Well 中形成源區(qū)和漏區(qū)，以制得PMOS。

（4）NPN 的發(fā)射區(qū)/集電區(qū)和基區(qū)接觸的 N+摻雜同時(shí)，在 P-Well 中形成源區(qū)和漏區(qū)，以制得 NMOS。

（5）為了獲得大電流下的低飽和壓降，采用高濃度的集電極深磷擴(kuò)散，形成與 BLN+ 埋層相接的深磷區(qū)（DN）。

CMOS 的 P-Well深度是十分重要，必須達(dá)到BLP+埋層，以便削弱 CMOS 中的“閂鎖效應(yīng)”，并形成雙極的對(duì)通隔離。阱的深度與 NMOS 特性（UTN，體效應(yīng)因子以及 BUDS 等）密切相關(guān)。因此，必須選擇合適的阱深和濃度，以便達(dá)到電路電氣特性的要求。

由于雙極和 CMOS 技術(shù)的要求相沖突，亞微米 BiCMOS[B] 阱分布的最佳化是一個(gè)多方面的問(wèn)題。因?yàn)?N-Well 提供雙極 NPN 和 PMOS 管的基礎(chǔ)，大多數(shù)臨界工藝折衷涉及 N-Well 分布。但是，關(guān)鍵要點(diǎn)如隔離﹑二極管電容以及反摻雜 P-Well 中遷移率降低亦必須都要考慮，特別在 CMOS 加強(qiáng)電路中，NMOS 性能起支配作用。

5 結(jié)語(yǔ)

除去芯片表面鈍化層光刻外，制程中使用了 16次掩模，各層平面結(jié)構(gòu)與橫向尺寸都由各次光刻所確定。制程完成后確定了芯片各層平面結(jié)構(gòu)與橫向尺寸和剖面結(jié)構(gòu)與縱向尺寸，并精確控制了硅中的雜質(zhì)濃度及其分布和結(jié)深，從而確定了電路功能和電氣性能。芯片結(jié)構(gòu)及其尺寸和硅中雜質(zhì)濃度及其結(jié)深是制程的關(guān)鍵。它們不僅與雙極型下列參數(shù)：

（1）埋層結(jié)深及其薄層電阻；

（2）P 型外延層電阻率及其厚度；

（3）基區(qū)寬度及其薄層電阻；

（4）發(fā)射區(qū)結(jié)深及其薄層電阻；

（5）與埋層相接的深磷區(qū)結(jié)深及其薄層電阻；

（6）器件 fT﹑β﹑BUcEo﹑以及 BUcBo 等。

而且，與 CMOS下列參數(shù)：

（1）P 型外延層電阻率；

（2）阱深度及其薄層電阻；

（3）各介質(zhì)層和柵氧化層厚度；

（4）有效溝道長(zhǎng)度；

（5）源漏結(jié)深度及其薄層電阻；

（6）器件的閾值電壓，源漏擊穿電壓，以及跨導(dǎo)等有關(guān)，如表 1 所示。

此外，雙極型與 CMOS 這些參數(shù)之間必須進(jìn)行折衷并優(yōu)化，以達(dá)到互相匹配。制程完成后，先測(cè)試晶圓 PCM（表 1 中工藝和電學(xué)參數(shù)）數(shù)據(jù)。達(dá)到規(guī)范值后，才能測(cè)試芯片電氣特性。