改進的MOSFET 制作工藝研究＊

韓 鍇，徐永貴

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

1 引言

1947年，美國的Bardeen、Brattain ＆Shockley等人發明了人類歷史上第一個晶體管［1-2］，標志著現代半導體工業的開始。經過約半個世紀的迅速發展，作為當今信息世界核心和物質基礎的半導體工業已成為一個年產值高達3100億美圓的支柱型產業。而半導體工業的高速發展嚴重依賴于其技術基礎—微電子技術的高速進步。

自從Kahng與Attala在1960 年制作出第一個金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）［3-4］，Noyce在1961年引入平面工藝［5］和1963年Wanlass和Sah發表第一個CMOS器件以來［6］，MOS IC 技術（主要是互補CMOS技術）已成了發展的主流技術。近半個世紀的微電子技術發展史也就是平面MOS IC的進化史，其特征表現為不斷縮小MOS晶體管和電路連線的尺寸，以使集成電路獲得更高的集成度，更好的性能和更小的功耗。

基于此，全面把握與了解MOSFET 器件的方方面面特性是微電子科學與技術專業學生的必備技能與入門功課。為此，在《電子線路》、《半導體器件物理》以及《集成電路制造工藝》等課程中從不同的側重點出發都有對MOSFET 的專門論述，主要包括MOSFET 工藝制造和電學性能表征兩部分。微電子專業是一門實踐性很強的專業，除了要求學生精通相關的理論知識，還要求學生有一定的實踐經驗與動手能力，這就需要搭配一定量的實驗課程，這既有助于加深對專業課的理解，也是一種對專業課知識的檢驗。針對MOSFET 來說，學生們自己動手制作出一個MOSFET 管子的過程是對集成電路制造工藝課的極好的認知和實踐，而此后對管子性能的測試和分析又是對器件物理和電子線路課的一種復習與檢驗。但是微電子實驗有其獨有的特性，就是設備昂貴，制造復雜，以MOSFET 為例，要實現產品級的管子生產，需要上百道工序，六七塊版圖，而對于絕大多數高校來說，并不具備完整的工藝生產線，大多數只有幾臺單步工藝的設備，所以不可能實現MOSFET 制造，而即便是對少數如清華、北大、復旦等具備完整工藝線的高校來說，針對本科生的普通實驗實踐課程，如果實現全流程MOSFET 制造，材料費跟設備使用費都是一筆巨大的支出，所以目前主流的方法是開設工藝模擬課程，利用多媒體跟工藝模擬仿真軟件來實現集成電路制造工藝的學習，但是紙上得來終覺淺，沒有經過實際操作親身體驗，終究是一種缺憾。所以本文給出了一種簡易的MOSFET 制作方法，在保留了MOSFET 最基本的原理的基礎上，對傳統平面MOSFET 結構做了一定改進，只需要兩塊版圖，簡短的工藝流程就能制作出一個簡易的MOSFET，并且具有所有的MOSFET特性，以此器件為基礎，我們可以進行最基礎的Id-Vd以及Id-Vg特性測試，也可以進行復雜的溝道遷移率等等測試。

2 改進型MOSFET 具體工藝流程

圖2 MOSFET 制作所用版圖

MOSFET 具體工藝實現過程描述如下，為了便于理解，圖1給出了工藝過程中幾個關鍵節點的器件剖面圖。首先是襯底選擇，此處我們選擇的是載流子濃度為3＊1016cm-3的N 型Ge襯底，當然也可以選擇其他襯底如Si等，這就可以用來對比不同的襯底材料對器件性能的影響，當前國際研究的熱點之一就是新型襯底材料的應用；然后是襯底清洗，可以采用標準清洗流程，如果沒有標準清洗臺，也可以采用自己配液清洗，用丙酮乙醇去除有機污染物，然后用鹽酸溶液去除表面顆粒及本征氧化；此后是Ge界面鈍化，我們采用的是O3生成GeO 的鈍化技術；此后就是柵介質沉積，我們此處用ALD 技術沉積了5nmAl2O3，當然也可以采用濺射、蒸發等手段，柵介質沉積完成后是退火工藝，此步是可選項；再然后是光刻，由于要采用剝離工藝進行金屬柵成型，所以光刻膠選用的是AZ5214反轉膠，剝離工藝簡單易操作，可以省略掉復雜的金屬柵刻蝕，所以是簡化流程的首選，版圖如圖2（a）所示，外圍一圈是用作管子之間的隔離，此處采用的是PN 結隔離，而不是標準的STI隔離，不但繞過了復雜的STI工藝，而且是跟金屬柵一起一次成形，右上角凸出的部分是為了方便后續測試扎針，所以故意面積加大，真正其金屬柵控作用的是內里的正方形的部分，選擇閉環的正方形是為了隔離開源漏區，右下角的金屬pad同樣是為了方便后續測試扎針方便，這樣就不用再額外制作通道進行柵接觸電極的制作；然后是金屬柵沉積，我們選用的是蒸發金屬柵Ti／Au（200／2000?）；然后是丙酮浸泡剝離，剝離完成后器件結構剖面如圖1（a）所示。然后是離子注入保護層沉積，我們采用PECVD 技術生長90nm Si3N4，然后B離子注入，如圖1（b）所示；此后是Si3N4刻蝕，緊接著是源漏退火激活，然后進行第二步光刻工藝，版圖如圖2（b）所示，同樣的利用AZ5214二步曝光法，此后以光刻膠為掩膜，氫氟酸濕法刻蝕Al2O3，為源漏金屬接觸打開窗口，最終結果如圖1（c）所示。然后是源漏蒸發金屬Ni／Au（200／2000?），丙酮剝離，最后是源漏退火合金，結果如圖1（d）所示，至此，一個簡易的MOSFET 制作完畢。

3 電學特性測試

圖3給出了利用前述工藝流程制作的MOSFET 電學特性測試結果，圖3（a）是固定柵電壓下的漏電流與源漏電壓的關系，從圖中可以看到明顯的夾斷區、可變電阻區以及恒流區，從圖中我們還可以找出預夾斷軌跡等等特性，圖3（b）是固定源漏電壓下的轉移特性曲線，此處固定Vd為-500mV，從此曲線上我們可以計算出器件的亞域擺幅等我們感興趣的器件電學參數。總之從圖3可以看出，利用前述工藝我們可以制造出具有標準電學特性的MOSFET 器件，證明本文所提的工藝方案是切實可行的。

圖3 MOSFET 電學特性

4 結論

本文在傳統的MOSFET 結構和制作工藝的基礎上，提出了一種改進方案，在保留MOSFET 基本特性的前提下，通過MOSFET 結構和工藝的改變，實際制作出了具有良好電學特性的MOSFET 器件，利用我們提出的方法可以大幅度縮短工藝流程，減少花費，使在普通高校開展MOSFET 制作成為可能，而同學們通過此種工藝流程以及此后的電學測試的實際操作，除了可以提高實踐動手能力之外，通過與課本上的傳統MOSFET 工藝對比，可以從更高的層面更深刻的理解課程所學內容。此外，此種MOSFET 制作方法也可以應用于科學研究之中，加快科研速度。

［1］Bardenn J，Brattain W H.The Transistor，a Semiconductor Tridoe［J］.Phys Rev，1948，71：230.

［2］Shockly W.The Theory of p-n Junction in Semiconductors and p-n ransistors［J］.Bell Syst Tech J，1948，28：435.

［3］Kahng D，Atalla M M.Silicon-Silicon Dioxide Field Induced Surface Devices［C］.IRE Solid State Device Research Conference，Pittsburgh，PA，1960.

［4］Kahng D.A Historical Perspective on The Development of MOS Transistors and Related Devices［J］.IEEE Trans E D，1976，23：655-660.

［5］Noyce R N.Semiconductor Device and Lead Structures［M］.US Patent No，2，981，877，April，1961.

［6］Wanlass F M，Sah C T.Nanowatt Logics Using Field-Effect Metal-Oxide Semiconductor Triodes［C］.Tech.Digest of IEEE Int.Solid-State Circuit Conf，1963：32.