集成电路设计-CMOS集成电路制造技术

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