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文档简介
1集成电路设计第二章CMOS集成电路制造技术ICManufacturing22-1引言硅被认为是世界上被研究的最多的元素。制造工艺是半导体革命的核心;一个硅芯片可以看成一组做成图案的材料层。当这些材料层被正确地叠放时,所形成的三维结构即是可控开关(晶体管),它们通过导线相连以实现逻辑操作。3最小特征尺寸half-pitch=minimumfeaturesize4例子:20mm*20mm0.13μmdrawn-gatelength0.5μmwirepitch8-levelmetal例子:32bRISCprocessor8Kλx16KλSRAM32λx32λperbit8Kλx16Kλis128Kb,16KBDRAM8λx16λperbit8Kλx16Kλis1Mb,128KB5学习要点大多数设计者不会涉及制造工艺的细节;帮助理解设计限制、制造成本;了解制造流程;理解设计规则来源——设计能够被制造出来。关键词:硅、多晶硅、扩散、淀积、掩膜、光刻。62-2半导体材料——硅Silicon电阻率导体—电阻率ρ<
10-4Ωcm;绝缘体—电阻率ρ>109Ωcm;半导体—电阻率10-3Ωcm<ρ<
109Ωcm。硅常温电阻率=21400Ωcm,半导体;电阻率随温度增加而减小,负温度系数。掺杂特性掺入磷P电阻率=0.2Ωcm。7Si++++++++++++++++++++++++++++++++++++---------------------------------8P型硅—掺入P-type杂质(如硼B/3个电子)+++++++++++++++++++++++++++++++++++--------------------------------++P(Positive)type--多数载流子(Carriers)为
空穴(Hole)9N型硅——掺入
N-type杂质(如磷P/5个电子)+++++++++++++++++++++++++++++++++++---------------------------------+--N(Negative)type--多数载流子(Carriers)为电子(Electron)102-3CMOS反相器(Inverter)VDDVoutCLVin互补LowoutputimpedanceHighinputimpedancenostaticpowerdissipationdelay——afunctionofloadcapacitanceandonresistanceoftransistors11PMOSTransistorP+P+N-typeSubstract(衬底)Polysilicon(多晶)ThinSiO2Diffusion(扩散)GateDrainSourceGateDrainSource12NMOSTransistorN+N+P-typeSubstractPolysiliconThinSiO2DiffusionGateDrainSourceGateDrainSource13表达形式InputOutputInputOutputVDDVSS(GND)142-4集成电路制造工艺热氧化工艺
SiO2干法氧化湿法氧化扩散工艺
P,N扩散法离子注入法淀积工艺—薄膜制造(Metal)化学气相淀积法物理淀积法—如:溅射法光刻工艺
Figure15Wafer晶圆CorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePadCorePad16GrowingtheSilicon----单晶硅FromSmithsonian,200017晶圆Wafers6Inches8Inches12Inches16Inches18晶圆打磨FromSmithsonian,200019氧化掩膜processstep涂敷光刻胶去胶清洗/去湿腐蚀阻光层生成
曝光光刻流程20例:SiO2刻蚀Si-substrate
硅衬底Si-substrate
曝光UV-light掩膜版涂敷光刻胶(负)SiO2Si-substrateSi-substrateSiO2
去胶Si-substrateSiO2HardenedresistSiO2Si-substrate
刻蚀/腐蚀HardenedresistChemicalorplasmaetch氧化/涂敷光刻胶212-5集成电路制造过程场氧—氧化硅—SiO2绝缘/隔离介质器件表面保护(钝化)膜掺杂扩散掩模电容元件的介质多晶—Polysilicon—Poly多晶体结构导体用作栅极——同时作为有源区离子注入掩模用作导线、电阻22基础单元——晶体管n-typetransistor:23PolysiliconAluminum240.25microntransistor(BellLabs)polysilicidesource/draingateoxide25CMOS制造流程定义有源区,光刻阱制造淀积多晶源漏区光刻,有源接触产生接触、通孔、金属层26CMOSInverter简化流程cutlinepwell27P-WellMask28ActiveMask29PolyMask30P+SelectMask31N+SelectMask32ContactMask
33MetalMask34cutlinepwell35CMOS双阱(Dual-Well)工艺p-p-epipwellnwellp+n+gateoxideAl(Cu)钨金属SiO2SiO2TiSi2fieldoxide36金属与通孔p-tubp-tubpolypolyn+n+p+p+metal1metal1vias37多层金属substraten+n+p+substratemetal1polySiO2metal2metal3transistorvia38392-6封装(Packaging)要求:减少寄生可靠散热廉价常用材料陶瓷高分子聚合物(塑料)PackageDie40ChipDieCorePad41导线压焊接线座封装底座Die压焊块Pad压焊线42电路板焊接(a)穿孔安装Through-HoleMounting(b)表面安装SurfaceMounting43PackageTypes小轮廓IC(SOIC)针栅阵列(FGA)引线塑料芯片载体(PLCC)双列直插(DIP)方形扁平封装(QFP)无引线载体(LCC)442-7版图描述方法色彩表示法条纹表示法棍棒图45CMOSInverterLayout46CircuitUnderDesign47LayoutView48Layout
Editor49SticksDiagram13InOutVDDGNDSt
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