LV HV P-Well BCD技术的芯片与制程剖面结构的资料概述

LV/HV P-Well BCD技术的芯片与制程剖面结构

LV/HV P-Well BCD技术能够实现低压 5 V 与高压 100～700 V（或更高）兼容的 BCD 工艺。为了便于高低压 MOS 器件兼容集成，采用源区为硼磷双扩散形成沟道的具有漂移区的偏置栅结构的 HV LDMOS 器件。改变漂移区的长度，宽度，结深度以及掺杂浓度等可以得到不同的高电压。采用 MOS 集成电路芯片结构设计﹑工艺与制造技术，依该技术得到了芯片制程结构。

1 制造技术的整合

LV/HV P-Well BCD[B] 制造工艺能够实现低压 5V 与高压 100～700 V 范围（或更高）兼容的工艺技术，即以 LV P-Well BiCMOS[B] 芯片与制程结构[1]为基础，引入源区作异型双扩散，在沟道和漏极之间具有场氧化层（F-Ox），形成适合于 HV 要求的漏漂移区的器件工艺，以制得 HV LDMOS 的兼容技术，实现同一硅衬底上形成 LV CMOS﹑LV 双极型以及 HV LDMOS 等器件，并使之互连，以实现 LV/HV 兼容 BCD 技术。改变漂移区的长度，宽度，结深度，掺杂浓度等可以得到不同的高压。实际上，把 HV LDMOS 器件引入 LV BiCMOS[B] 集成电路中，使之整合于一体。因此，制造工艺复杂，兼容了双极，CMOS，DMOS 的工艺技术。

HV LDMOS 与偏置栅 MOS 结构相同点都是偏置栅，长的漂移区，而不同点 LDMOS 源区作异型双扩散，具有短的沟道，驱动能力大。

LV/HV 兼容 BCD 工艺有许多种，可以分成两类：一类 LV/HV P-Well BCD[C] 工艺技术[2]；另一类以 LV BiCMOS[B] 工艺为基础，引入 HV LDMOS 工艺，以制得 HV LDMOS 的兼容技术，并以 LV/HV P-Well BCD[B] 来表示。这种技术可分成两种不同结构：HV LDMOS 和 HV VDMOS。现先叙述前一种结构。在 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）芯片结构与制程中，采用 HV LDMOS 结构。

为了描绘出双极型与 CMOS/LDMOS 器件兼容集成的 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）制程结构，本文应用芯片结构技术[2]，可以得到芯片剖面结构。并利用计算机和它所提供的软件，可以得到芯片制程中各个工序剖面（或平面/剖面）结构。依照各个工序的先后次序互相连接起来，可以得到制程剖面（或平面/剖面）结构。该结构的示意图直观显示出 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）制程中芯片表面﹑内部器件以及互连的形成过程和结构的变化。

2 芯片剖面结构

应用芯片结构技术[2]，使用计算机和它所提供的软件，可以得到 LV/HV P-Well BCD[B]技术（1）芯片典型剖面结构。首先由设计人员在电路中找出各种典型元器件：LV NMOS，LV PMOS，LV NPN（纵向）， LV PNP（横向）以及 HV LDNMOS。然后由制造人员对这些元器件进行剖面结构设计，选取剖面结构各层统一适当的尺寸和不同的标识，表示制程中各工艺完成后的层次，设计得到可以互相拼接得很好的各元器件结构（或在元器件结构库中选取），分别如图 1 [A]﹑[B]﹑[C]﹑[D]以及 [E] 所示（不要把它们看作连接在一起）。最后把各元器件结构依一定方式排列并拼接起来，构成芯片剖面结构，图 1A 为其示意图。以该结构为基础，消去 LV PNP，引入 Poly 电阻和场区电容，改变 NPN 结构，得到如图 1B 结构。如果引入不同于图 1 中的单个或多个元器件结构或对其中元器件结构进行改变，则可得到多种不同结构。选用其中与设计电路相联系的一种结构。下面仅对图 1A 结构作叙述。

3 工艺技术

电路采用 1.2 μm 设计规则，使用 LV/HV P-Well BCD[B]工艺技术（1）。该电路主要元器件﹑制造技术以及主要参数如表 1 所示。它以 LV P-Well BiCMOS[B] 制程及其所制得的元器件 [1] 为基础，引入兼容偏置栅 HV LDMOS 器件工艺，最终在同一硅衬底上形成高低压器件，并使之互连，实现所设计电路。该电路或各层版图己变换为缩小的各层平面和剖面结构图形的 IC 芯片。如果所得到的工艺与电学参数都适合于所设计电路的要求， 则芯片功能和电气性能都能达到设计指标。

表 1 中参数中：高-低压栅氧化层厚度为 THV-Gox/TLV-Gox，DP- 区结深，薄层电阻为 XjDP-/RSDP-，LDNMOS 有效沟道长度/漂移区长度为LeffLDN/LDLDN，导通电阻为 RON，其它参数符号与通常表示相同。

为实现 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1），引入 HV LDNMOS 器件工艺，对 LV P-Well BiCMOS[B] 工艺[1]作如下改变。

（1）N- 型外延层中 P-Well 推进后，引入 11B+ 注入并推进，生成 DP- 区，源漏掺杂后形成 N+/DP- 区为双扩散源，N+ 区为漏，沟道和漏之间适合于 HV 要求的长的低浓度的 N- 型外延层为漂移区。

（2）场区氧化后，在沟道与漏之间引入场氧化层，形成适合于 HV 要求的厚度和长度。

（3）腐蚀预栅氧化层后，引入厚﹑薄栅氧化膜生长。

（4）Poly 淀积并掺杂，引入刻蚀形成偏置栅结构。上述引入这些基本工艺，使 LV P-Well BiCMOS[B] 芯片结构和制程都发生了明显的变化。工艺完成后，以制得 LV NMOS 与 LV PMOS [A，B]，LV NPN 和 LV PNP [C，D] 以及 HV LDNMOS，并用 LV/HV P-Well BCD [B] 技术（1）来表示。

P-Well BCD [B] 技术（1）电路电气性能/合格率与制造各种参数密切相关，确定用于芯片制造的基本参数，如表 1 所示。

（1）工艺参数：如各种掺杂浓度及其分布，XjBLN+/XjIP+/XjDN/XjPW/XjDP-/XjN+/XjP+ 等结深，TF-Ox/THV-Gox/TLV-Gox 等氧化层厚度以及 LDLDN 等。

（2）电学参数：ULV/UHV 等 LV/HV 阈值电压，RSBLN+/RSIP+/RSDN/RSPW/RSDP-/RSN+/RSP+ 等薄层电阻，BULVDSN/BULVDSP，BUCBO/BUCEO 等击穿电压，β以及 RON 等。

（3）硅衬底电阻率/外延层厚度及其电阻率等的要求，制定出各工序具体工艺条件，以保证所要求的各种参数都达到规范值，而且确保批量生产中电路具有高成品率，高性能以及高可靠性。

制作掩模时，通常设计者要与制造者一起来确定。如果应用芯片结构及其制程剖面结构技术，则不难确定出各次光刻工序及其所用掩模的名称﹑图形黑白﹑正胶﹑划片槽有无以及对准层次。

由下面制程剖面结构图 2 中可以看出光刻工序各个层次，需要进行 17 次光刻。因此，光刻对准曝光要严格对准﹑套准，并使之在确定的误差以内。与 LV P-Well BiCMOS[B] 相比，增加了 1块掩模：HV 栅氧化膜区，DP- 区是基区, 并兼作PNP 集电区轻掺杂区和双扩散源区。

4 工艺制程

图 1 所示的 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）芯片结构的制程是由工艺规范确定的各个基本工序﹑相互关联以及将其按一定顺序组合构成。为实现此技术，在 LV BiCMOS 制程中引入上面的（1）～（4）的基本工艺，不仅增加了制造工艺，使芯片结构发生了明显的变化，而且改变了制程，从而实现了 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）制程。

制程需要运行多次氧化﹑光刻﹑杂质扩散﹑离子注入﹑薄膜淀积以及溅射金属等主要工序。这些工序提供了以下工艺结构。

（1）形成电路芯片中的各个元器件：LV NMOS，LV PMOS，LV NPN（纵向），LV PNP（横向）以及 HV LDNMOS 等。

（2）这些电路元器件所需要的精确控制的硅中的杂质层：BLN+，N-EPI， IP+， DN， P-Well，DP-，PF，NF， 沟道掺杂，SN-，N+Poly，N+，P+ 等。

（3）形成集成电路所需要的介质层：F-Ox， LV/HV G-Ox，Poly-Ox，TEOS， BPSG/LTO 等。

（4）这些电路元器件连接起来形成集成电路所需要的金属层：AlSiCu。这些按给定的顺序进行的制造步骤构成了制程。

应用计算机，依据芯片制造工艺中的各个工序的先后次序，把各个工序互相连接起来，可以得到 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）制程。该制程由各工序所组成，而工序则由各工步所组成来实现。根据设计电路的电气特性要求，选择工艺规范号和工艺序号，以便得到所需要的工艺和电学参数。

为了直观地显示出制程中芯片表面﹑内部元器件以及互连的形成过程和结构的变化，藉助图 1 芯片剖面结构和制造的各个工序，利用芯片结构技术，使用计算机和它所提供的软件，可以描绘出芯片制程中各个工序剖面结构，依照各个工序的先后次序互相连接起来，可以得到 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）制程剖面结构，图 2 为其示意图。

（1）衬底材料 P-Si<100>，初始氧化（Init-Ox）（1），光刻 BLN+ 埋层， 腐蚀SiO2， BLN+ 区氧化（BLN+-Ox）， 121Sb+注入，如图 2-1 所示。

（2）注入退火，BLN+ 区推进/氧化，腐蚀净 SiO2，N- 型外延（N-EPI），初始氧化（Init-Ox）（2），光刻隔离区（IP+），腐蚀SiO2， 隔离区氧化（IP+ -Ox），11B+ 注入，如图 2-2 所示。

（3）注入退火，隔离区（IP+）推进/氧化，光刻 DN 区，腐蚀 SiO2， DN 区氧化（DN-Ox），31P+ 注入，如图 2-3 示。

（4）注入退火，DN 区推进/氧化，光刻P-Well 区，腐蚀 SiO2， P-Well 区氧化（PW- Ox），11B+ 注入，如图 2-4。

（5）注入退火，P-Well 推进/氧化，光刻 DP- 区，腐蚀 SiO2， DP- 区氧化（DP- -Ox），11B+ 注入，如图 2-5 所示。

（6）注入退火，DP- 区推进/氧化，腐蚀净SiO2， 基底氧化（Pad-Ox），Si3N4 淀积，光刻有源区，刻蚀 Si3N4，如图 2-6示。

（7）光刻 P 场区（PF），11B+ 注入，如图 2-7 所示。

（8）光刻 N 场区（NF），31P+ 注入，如图2-8 所示。

（9）注入退火, 场区氧化（F-Ox）如图 2-10 。

（10）三层（SiON/Si3N4/SiO2）腐蚀，预栅氧化（Pre-Gox）， 光刻 LV P 沟道区，11B+ 注入，如图 2-10 所示。

（11）腐蚀预栅氧化，注入退火，HV 栅氧化（HV-Gox），光刻 HV 栅氧化层，腐蚀 SiO2，LV 栅氧化（LV-Gox），如图 2-11 所示。

（12） Poly 淀积，POCl3 掺杂，光刻 Poly，刻蚀 Poly/SiO2，如图 2-12 所示。

（13）源漏氧化（S/D-Ox），光刻 NLDD 区，31P+ 注入（Poly 注入未标出），如图 2-13 所示。

（14）注入退火，形成 SN- 区，TEOS 淀积/致密，刻蚀形成 TEOS 侧墙，源漏氧化（S/D-Ox），如图 2-14 所示。

（15）光刻 N+ 区，75As+ 注入（Poly 注入未标出），如图 2-15 所示。

（16）光刻 P+ 区，49BF2+ 注入（Poly 注入未标出），如图 2-16 所示。

（17） LTO/BPSG 淀积，流动/注入退火，形成P+﹑N+SN- 区（图中未标出 SN-），光刻接触孔，腐蚀， 刻蚀 BPSG/LTO/SiO2，如图 2-17 所示。

（18）溅射金属（Metal），光刻金属， 刻蚀ALSiCu， 如图 2-19 所示。

LV/HV P-Well BCD[B]技术（1）制程的主要特点汇总如下。

（1）LV BiCMOS[B] 中的 LV NPN 基区和 LV PNP 集电区中的轻掺杂区的与 HV LDNMOS 双扩散源区中的 DP- 区都是同时形成，具有相同的结深和浓度。

（2）LV PNP 的发射区/集电区和 LV NPN 基区接触的 P+ 掺杂， 同时在 N- 外延层中形成源区和漏区，以制得 LV PMOS。

（3）LV NPN 的发射区/集电区和 LV PNP 的基区接触的 N+ 掺杂。① 同时在 P-Well 中形成源区和漏区， 以制得 LV NMOS。② 同时在 N- 外延层中 形成双扩散源区和漏区，且在沟道和漏区之间具有场氧化层（F-Ox），以制得 HV LDNMOS，而双扩散源区中的 DP- 区是在 N- 外延层中作 11B+ 注入形成的。

（4）LV BiCMOS[B] 中的栅氧化改变为厚栅氧化膜生长，使用增加一次掩模，并先作腐蚀，得到高压厚栅氧化膜。然后，接着氧化，以形成低压栅氧化膜。

5 结语

制程中使用了 17 次掩模，各次光刻确定了 LV/HV P-Well BCD[B] 技术（1）芯片各层平面结构与横向尺寸。工艺完成后确定了以下参数。

（1）芯片各层平面结构与横向尺寸。

（2）剖面结构与纵向尺寸。

（3）硅中的杂质浓度﹑分布及其结深。

（4）电路功能和电气性能等。

芯片结构及其尺寸和硅中杂质浓度及其结深是制程的关键。它们不仅与 HV 器件下列参数相关。

（1）HV LDNMOS N+/DP- 结深度﹑掺杂浓度和 N-EPI 漂移区的长度﹑结深度﹑掺杂浓度。

（2）HV DMOS 沟道和漏极之间形成场氧化层（F-Ox）厚度及其长度。

（3）HV 栅氧化层厚度。

（4）器件承受的高压﹑低的导通电阻以及阈值电压等有关。

而且与 LV 器件下列参数相关。

（1）CMOS 工艺参数（P-Well 深度及其薄层电阻，各介质层和栅氧化层厚度，有效沟道长度，源漏结深度及其薄层电阻等）及其电学参数（阈值电压，源漏击穿电压，以及跨导等）。

（2）双极型工艺参数（埋层/隔离/发射区的结深度及其薄层电阻，基区宽度及其薄层电阻，外延层电阻率及其厚度等）及其电学参数（fT﹑β﹑BUceo﹑以及 BUcbo 等）有关。这些参数如表1所示。CMOS 与双极型的这些参数之间必须进行折衷并优化，以达到互相匹配。