1 引言

在集成电路工艺发展到深亚微米的今天，有一种金属栅CMOS工艺以其成本低廉、性价比高及工艺简单而一直被众多150mm工厂所追宠。但如何在目前成本及工艺架构不变的前提下最大限度地发挥现有150mm工艺技术与设备能力，提高金属栅CMOS工艺集成度，减小沟道长度从而提高器件性能仍然是一个工艺难题。在常规标准工艺下，金属栅MOS器件的短沟道效应、漏势垒降低(DIBL)、热载流子等现象会越来越明显，伴随而来的就是阈值电压漂移、击穿电压降低以及源漏穿通等不稳定因素，会为器件的工作带来极大的隐患。与此同时随着器件结构不断按比例缩小，原本没有问题的ESD保护结构也将面临严重挑战。本文围绕着这些问题，利用进行校准之后工艺模拟软件TSUPREM-4和器件模拟软件MEDICI，采用工艺模拟与实际工艺流片相结合的方法对沟道尺寸为0．8μm～2μm之间的金属铝栅CMOS进行器件模拟、试验及分析。提出了相应的工艺及改进措施，确定了金属栅CMOS器件在常规标准工艺下能够正常工作的器件设计规则以及相应的工艺条件，并且提出在此工艺平台下的端口的ESD保护结构与规则。

2 金属栅CMOS工艺设计思路

图1为金属栅CMOS器件剖面示意图，此金属栅CMOS采用N型衬底／P阱工艺技术。同时为降低成本仍用7-8块光刻版及PN结隔离技术以及铝硅金属为MOS器件栅电极与引线。相对传统的3μm铝栅工艺来讲，该工艺较浅的PN结结深、较薄的栅氧层厚度使得在器件基本结构不做大变动的前提下可以大幅度缩小设计规则，缩短MOS管的沟长。同时新型的PN结的结构形式与优化也可使PN结的VBD提高到足以满足5V工作电压的产品应用。表1为金属栅MOS器件及工艺结构参数。表2为金属栅MOS工艺的光刻版，其中VP为VT调整时可选。器件的主要工艺流程如图2所示。

3 金属栅CMOS工艺的器件特性分析

众所周知由于MOS器件的短沟效应，当沟道长度L减小到少于2μm时，VT通常会随着L的减小而减小。在短沟道MOSFET中，VDS值的增大也会导致VT值的减小，由于CMOS增强模式的FET通常设计成在0．6V～0．8V的条件下工作，所以在短沟道器件中阈值电压更加难以准确控制。阈值电压漂移将造成整个电路性能的不稳定并带来极大的隐患。图3和图4分别表示了N管和P管的短沟道效应。

金属栅工艺中薄膜电阻也是设计所关心的参数，其随设计尺寸的变化而不同。图5、图6、图7分别为P+、N+、P阱电阻在长度不变的条件下(100μm)随条宽的变化趋势。

4 金属栅CMOS产品设计之ESD保护

先进的金属栅CMOS工艺使器件随着设计尺寸而按比例缩小，驱动能力等器件性能不断提高，但由于栅氧厚度减薄、结深变浅给ESD保护电路的设计带来巨大的挑战。图8为二极管和MOS型两种ESD的保护结构。

二极管型结构中的两个二极管分别是由N+／P阱形成的N+二极管及P+／N型衬底形成的P+二极管，分别按图8(a)连接I／O、地线和电源端；而MOS型结构分别为两个栅源短路的N／PMOS保护管，分别按图8(b)连接I／O、地线和电源端。通过各种面积、尺寸设计等大量的试验、封装及测量结果表明所有二极管型结构在0．5kV、10 kV或1．5 kV ESD HBM测试时均由于大漏电造成二极管损伤而失效。而MOS管结构则随沟长与沟宽的变化体现为不同的抗ESD能力。图9为N／PMOS沟长、沟宽与ESD HBM能力结果曲线。

通过分析我们最终选定L=0．7μm、W=270μm为ESD 2kV保护的最小设计规则。图10为我们建议的一种双环六指状MOS管ESD保护结构范例。每根指状物宽45μm，总宽270μm。

5 结论

本文介绍了一种先进的金属栅工艺，描述了相应的工艺结构与流程。对MOS管、电阻的器件特性进行了描述，同时介绍了在此工艺下的I／O ESD保护结构的设计，为设计师更好地了解上述先进的金属栅工艺与设计高性能产品提供有效的帮助。