CMOS 制造

CMOS（互补金属氧化物半导体）是 NMOS 和 PMOS 晶体管的组合。NMOS 是 N 型金属氧化物半导体，PMOS 是 P 型金属氧化物半导体。N 型是一种五价杂质，P 型是一种掺杂在半导体上的三价杂质。晶体管的三个端子是栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。P 型/N 型掺杂应用于 D 和 S 端子。

CMOS 晶体管应用于各种场景，如**放大器、开关电路、逻辑电路、集成电路芯片、微处理器**等。CMOS 在半导体技术中的重要性在于其低功耗和低工作电流。与场效应晶体管和双极结型晶体管相比，其制造步骤更少。

CMOS 制造的类型如下：

1. N 型阱制造
2. P 型阱制造
3. 双阱制造

让我们详细讨论上述制造方法。

NMOS 制造

NMOS 的掺杂是五价（五个价电子）杂质，如**硼**和**锑**。它有一个 P 型衬底，在该衬底上创建 N 型沟道。顾名思义，参与电流的主要载流子是电子。电子的移动速度比空穴快。因此，NMOS 比 PMOS 快。

NMOS 制造包括八个步骤，列出如下：

步骤 1：衬底处理

第一步是创建**P 型衬底**。P 型具有三价杂质（三个价电子），如硼，浓度高达 10¹⁶/cm³。选择一片纯净的硅晶片薄膜，在其上以晶体形式掺杂 P 型杂质。晶圆的直径可达 0.15 米或 150 毫米。选择硅作为晶圆材料，因为它是一种干净、高质量的半导体材料，是制造的首选。

步骤 2：二氧化硅层

二氧化硅由硅 (Si) 和氧气 (O₂) 两种材料组成。它也称为**氧化层**。硅具有稳定的结构，被认为是地球上最丰富的金属。它与氧气结合，在各种条件下充当绝缘体或导体。

在 P 型衬底表面生长 SiO₂ 层以防止其受到外部因素的影响。它还充当加工过程中应用于该层的掺杂剂的屏障。二氧化硅的厚度非常小，约为 0.000001 米或 1 微米。

步骤 3：在 SiO₂ 层上涂覆光刻胶材料

在二氧化硅层上覆盖光刻胶材料。它是一种**光敏**材料，在 SiO₂ 层的表面形成涂层。它有助于减小晶体管的尺寸。

在光刻胶材料涂覆在二氧化硅层上后，使用带有所需图案的掩模作为介质来曝光紫外线（UV）。紫外线通过掩模到达光刻胶材料。曝光的光刻胶保留在表面上，未曝光的部分从表面去除。

步骤 4：区域蚀刻

未曝光的窗口从表面去除，区域一起蚀刻以形成干净的晶圆表面。如下图所示：

步骤 5：栅极形成

将剩余的光刻胶层从晶圆上清除。在表面生长一层 0.0000001 米或 0.1 微米的薄二氧化硅层。然后，在表面添加多晶硅，通过 CVD 工艺沉积，形成栅极结构。化学气相沉积 (CVD) 可生产高质量的固体材料。多晶硅因其高熔点而成为栅极的首选。其性质也与 SiO₂ 相似。

注意：掺杂浓度、层厚和电阻率是制造过程中需要考虑的三个基本要素。

步骤 6：创建漏极和源极端子区域

硅晶圆表面的薄氧化层被去除，并通过扩散工艺将 N 型杂质插入指定的暴露区域。这会在源极和漏极端子处形成 N 型沟道。晶圆首先在非常高的温度下加热，然后通入气体。暴露区域会充满含有 N 型杂质（如磷）的气体。

步骤 7：再次在源极和漏极端子上沉积 SiO₂ 和光刻胶

重复相同的过程以保护 S 和 D 端子。如步骤 6 所述，已去除晶圆表面的氧化层以创建两个端子。二氧化硅和光刻胶被沉积、蚀刻和掩蔽以保护它们。接触孔保持暴露以进行连接。

步骤 8：制作金属层

这是 NMOS 制造过程的几乎最后一步。将铝金属层沉积在包括接触孔在内的晶圆表面上。铝的厚度约为 1 微米。金属层进一步通过掩模和蚀刻形成所需的互连图案。

在每个步骤中，都在硅晶圆上应用了不同材料的层。因此，NMOS 制造过程涉及四层主要材料的沉积。它们包括二氧化硅、光刻胶、多晶硅和铝金属层。

让我们详细讨论上面用到的一些术语。

**掩模：**掩模一词在 SiO₂、光刻胶和铝层之后被提及。掩模定义为将 3D CAD 设计转换为沉积在材料上的实际层。它将 3D 设计转移到沉积在硅晶圆表面的层上。它还用于在表面创建图案。**CAD**（计算机辅助设计）允许以精确的设计和长度在各种晶圆上沉积层。它在大型芯片制造过程中很有用。

**蚀刻：**蚀刻也用于在衬底或晶圆表面创建图案。但它首先从层中去除材料，并用相同材料创建图案。它增强了表面的对比度或上下文。

我们知道，SiO₂、光刻胶、多晶硅和金属的不同层都沉积在衬底表面上。蚀刻过程会去除表面上不需要或多余的材料，以形成孔。这些孔可用于扩散或电气互连。

N 型阱制造

这是 CMOS 制造过程。这意味着 PMOS 和 NMOS 以不同的方式制造。PMOS 是通过将其放置在具有 P 型沟道的 N 型阱中来创建的。NMOS 的创建方式与上述类似，即在衬底上。因此，CMOS 的制造称为 N 型阱制造。

N 型阱制造过程中涉及的步骤如下：

1. 晶圆

选择硅晶圆在其上掺杂 P 型杂质。形成的掺杂晶圆将是具有三价杂质的 P 型衬底。

2. 晶圆氧化

在表面创建二氧化硅层或氧化层，以保护衬底。硅是一种易于获得的金属，其性能适合制造过程。

3. 光刻胶沉积

在晶圆上沉积光刻胶材料。它允许在 P 型衬底上形成 N 型阱。

4. N 型阱掩模

在晶圆上以特定图案曝光 N 型阱掩模。去除光刻胶的软部分或未曝光部分，以暴露 SiO₂ 层。

5. 氧化蚀刻

如上所述，晶圆的右侧未被光刻胶覆盖。这是因为留有形成 N 型阱的区域。为了保护它，使用**氢氟酸**蚀刻氧化层。SiO₂ 层的硅原子和 HF 酸的氟原子形成强键。现在硅晶圆已准备好暴露于 N 型阱区域。

通过蚀刻过程去除剩余的光刻胶材料。

6. N 型阱形成

通过扩散工艺在晶圆右侧制造 N 型阱。扩散是一种将杂质从高浓度区域向低浓度区域添加的方法。我们也可以使用离子注入工艺来创建 N 型阱。

7. 氧化层去除

使用 HF 酸剥离晶圆表面上剩余的氧化层。氧化层起到保护作用，并且需要去除以创建栅极结。这样做是为了直接暴露上面步骤中形成的 N 型阱。

8. 栅极形成

通过 CVD 工艺将多晶硅添加到表面，形成栅极结构。它是一种高度掺杂的多晶硅层，位于薄栅氧化层（thinox）之上。

9. 多晶硅图案化

在晶圆表面上使用光刻胶和掩模曝光，以创建两个 G 端子。这是因为 CMOS 是 NMOS 和 PMOS 的组合，两者都有单独的栅极，如下图所示：

10. 扩散图案

在晶圆上再次应用一层保护性氧化层和光刻胶，以保护两个栅极端子。

11. 创建源极和漏极区域

为了创建 S 和 D 的区域，会去除晶圆表面上存在的保护性氧化层。这会创建两个空区域。

12. N 型扩散区域

两个空区域在每侧包含两个源极端子和两个漏极端子。通过将 N+ 杂质注入这些空区域来创建 N+ 扩散区域。这会自动在栅极旁边形成 S 和 D 端子。右侧的 N 型阱也是通过 N+ 扩散创建的。

通过扩散工艺将晶圆加热到高温以创建 N 型阱区域。

13. P 型扩散

NMOS 具有 N+ S 和 D 区域，而 PMOS 具有 P+ 区域。N+ 区域已通过上述步骤创建。接下来，使用 P+ 扩散掩模，完成所有 MOS 晶体管有源区域的形成。

14. 场氧化层

为了绝缘晶圆，在其表面上沉积场氧化层（SiO₂）。

15. 金属形成

将铝金属层沉积在包括接触孔在内的晶圆表面上。它也填充了切割孔。使用金属掩模对其进行图案化。

N 型阱制造的整个过程可以用下面显示的流程图来总结。

上述过程显示了 NMOS（左侧）和 PMOS 晶体管的形成。我们也可以使用相同的步骤创建一个反相电路。它由 PMOS 和 NMOS（右侧）晶体管组成。与 PMOS 相比，NMOS 晶体管性能更好。因此，创建 N 型阱是为了克服 PMOS 性能较差的问题。

P 型阱制造

这也是一种 CMOS 制造过程。NMOS 晶体管是通过将其放置在具有 P 型沟道的 P 型阱中来创建的。PMOS 在 N 型衬底上创建。因此，NMOS 的制造称为 P 型阱制造。

这里，衬底是 N 型，源极和漏极区域的掺杂是 P 型。通过扩散工艺将 P 型阱扩散到衬底中。P 型阱的掺杂浓度和深度会影响 N 型器件的电压。因此，需要特别小心。阱越深，可能需要的表面积越大。

P 型阱结合了 PMOS 和 NMOS（右侧）。N 型作为 PMOS 的衬底，P 型阱作为 NMOS 的衬底。这两个区域是电隔离的。下图显示了 P 型阱 CMOS 反相器。

掩模、扩散等与 N 型阱类似。制造过程中使用的各种掩模用于定义深阱、厚剥离氧化层沉积、接触区域、互连、多晶硅层沉积、P 型扩散和金属层图案的区域。

双阱制造

顾名思义，双阱 (twin-tub) 是在同一衬底上形成的 P 型阱和 N 型阱工艺的组合。它也称为**双阱工艺**。创建了具有 N 型阱和 P 型阱区域的高电阻率 N 型衬底，如下图所示。

这是双阱的一种反相排列。独立的晶体管及其排列有助于优化 N 型器件、P 型器件以及体效应和阈值电压等其他参数。晶圆有两层。顶层是外延层，主衬底层是 N 型。

双阱制造的步骤如下：

步骤 1：沉积二氧化硅 (SiO₂) 薄氧化层。

步骤 2：使用 CVD 工艺沉积**氮化硅**层。它具有多种优点，例如高温稳定性和轻质。

步骤 3：第三步包括创建沟槽并用绝缘材料 SiO₂ 填充它们。创建沟槽是为了防止电流泄漏。

步骤 4：去除氧化层和氮化硅，通过扩散沉积 N 型阱和 P 型阱区域。

步骤 5：使用 P 型阱和 N 型阱掩模在两侧指定区域进行处置。需要进行注入和退火以调整两个阱的掺杂浓度。退火过程降低了硬度，以便进行有效的掺杂。

步骤 6：在硅晶圆表面上涂覆一层薄的 SiO₂ 和多晶硅。

步骤 7：使用扩散工艺创建源极、栅极和漏极区域。

步骤 8：再次沉积氧化层和氮化硅层。

步骤 9：将铝金属层沉积在包括接触孔在内的晶圆表面上。它也填充了切割孔。

步骤 10：最后一步是在晶体管上沉积一层保护性玻璃层。