专用集成电路设计基础教程（来新泉 西电版）第2章 集成电路的基本制造工艺及版图设计

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1、2.1集成电路的基本制造工艺2.2集成电路的封装工艺2.3集成电路版图设计第2章集成电路的基本制造工艺及版图设计半个多世纪前的1947年贝尔实验室发明了晶体管；1949年Schockley发明了双极（Bipolar）晶体管；1962年仙童公司首家推出TTL（TransistorTransistorLogic）系列器件；1974年ECL（EmitterCoupledLogic）系列问世。双极系列速度快，但其缺点是功耗大，难以实现大规模集成。20世纪70年代初期，MOSFET（MetalOxideSem

2、iconductorFieldEffectTransistor）晶体管异军突起。现在，CMOS（ComplementaryMOS）已经无以替代地占据统治地位，对其不断的改进，包括采用硅栅、多层铜连线等，使得其速度和规模都已达到相当高度。然而功耗又重新变成CMOS设计中的重大难题，人们在不断地寻求突破性进展。目前，GaAs（GalliumArsenide,砷化镓）工艺仍然是使器件速度最快的半导体工艺，它使器件可以工作在几个吉赫兹的频率上，但功耗较大，单级门功耗可达几个毫瓦。其他还有SiGe（Silico

3、nGermanium，锗化硅）工艺，情况也基本相当。　　除此之外，还有崭露头角的超导（Superconducting）工艺等。1.ASIC主要工艺及选择依据目前适用于ASIC的工艺主要有下述5种：　　（1）CMOS工艺：属单极工艺，主要靠少数载流子工作，其特点是功耗低、集成度高。　　（2）TTL/ECL工艺：属双极工艺，多子和少子均参与导电，其突出的优点是工作速度快，但是工艺相对复杂。（3）BiCMOS工艺：是一种同时兼容双极和CMOS的工艺，适用于工作速度和驱动能力要求较高的场合，例如模拟类型的A

4、SIC。　　（4）GaAs工艺：通常用于微波和高频频段的器件制作，目前不如硅工艺那样成熟。　　（5）BCD工艺：即Bipolar+CMOS+DMOS（高压MOS），一般在IC的控制部分中用CMOS。根据用户和设计的需要，一般从以下5个方面选择合适的工艺：　　（1）集成度和功耗。如果对集成度和功耗有较高的要求，则CMOS工艺是最佳选择。　　（2）速度（门传播延迟）。TTL和ECL工艺适合于对速度要求较高的ASIC。对速度要求特别高的微波应用场合，则必须选择GaAs工艺。　　（3）驱动能力。几种工艺中

5、，TTL/ECL的驱动能力最强。　　（4）成本造价。相对来说，CMOS工艺为首选工艺。对于模拟类型的ASIC，则需要选用相对复杂的BiCMOS工艺。　　（5）有无IP库和设计继承性。2.深亚微米工艺特点通常将0.35μm以下的工艺称为深亚微米（DSM）工艺。目前，国际上0.18μm工艺已很成熟，0.13μm工艺也趋成熟。深亚微米工艺的特点包括：　　（1）面积（Size）缩小。特征尺寸的减小使得芯片面积相应减小，集成度随之得到很大提高。例如，采用0.13μm工艺生产的ASIC，其芯片尺寸比采用0.18μ

6、m工艺的同类产品小50％。（2）速度（Speed）提高。寄生电容的减小使得器件的速度进一步提高。目前采用0.13μm工艺已生产出主频超过1GHz的微处理器。　　（3）功耗（PowerConsumption）降低。　　深亚微米的互连线分布参数的影响随着集成度的提高也越来越突出，线延迟对电路的影响可能超过门延迟的影响，而成为其发展的主要制约因素，并极大地制约着前端设计的概念和过程。3.制造影响设计芯片的制造技术引导并制约着芯片的设计技术，其影响有以下几个方面：(1)扩展了设计技术空间。(2)提高了对设计技

7、术的要求。(3)促成了新的设计技术文化。2.1集成电路的基本制造工艺CMOS集成电路制作在一片圆形的硅薄片（Wafer）上。每个硅片含有多个独立芯片或称为管芯。量产时，一个硅片上的管芯通常相同。硅片上除管芯外，一般还有测试图形和工艺检测图形，用来监测工艺参数，如图2-1所示。图2-1硅片上的管芯简化的IC制造过程如图2-2所示。　　简化的IC制造工艺步骤如图2-3所示。　　图2-3只列出了主要的工序，没有列出化学清洗及中测以后的工序，如裂片、压焊、封装等后工序。但我们对后工序要有足够的重视，因为后工序

8、所占的成本比例较大，对产品成品率的影响也较大。图2-2IC制造过程图2-3IC制造工艺步骤IC制造工艺主要有：　　氧化：在单晶体上或外延层上生长一层二氧化硅的过程。　　光刻：就是利用感光胶感光后的抗腐蚀特性，在硅片表面的掩膜层上刻制出所要求的图形。光刻版是记载有图形的一系列玻璃版或铬版等，不同版上的图形在工艺制造时有先后顺序和相互制约关系，图形数据来源于我们设计的集成电路版图，其作用是控制工艺过程，以便有选