1、會計學1CMOS反相器反相器CMOS反相反相 器器由由PMOS和和NMOS所組成的互補型電所組成的互補型電路叫做路叫做VinVout第1頁/共48頁CMOSCMOS反相器工作原理反相器工作原理VOL=0VOL=0VOH=VDDVOH=VDDVinVout在輸入為在輸入為0 0或或1 1（VDD)VDD)時，兩個時，兩個MOSMOS管中總是一管中總是一個截止一個導通，因此沒有從個截止一個導通，因此沒有從VDDVDD到到VSSVSS的直流的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態電流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態電流和功耗幾乎為和功耗幾乎為0 0。這是。這是CMOSCMOS電路低功耗的主要電

2、路低功耗的主要原因。原因。CMOSCMOS電路的最大特點之一是低功耗。電路的最大特點之一是低功耗。第2頁/共48頁CMOS電路的優點 （1）微功耗。 CMOS電路靜態電流很小，約為納安數量級。 （2）抗干擾能力很強。 輸入噪聲容限可達到VDD/2。 （3）電源電壓范圍寬。 多數CMOS電路可在318V的電源電壓范圍 內正常工作。 （4）輸入阻抗高。 （5）負載能力強。 CMOS電路可以帶50個同類門以上。 （6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD ）第3頁/共48頁MOSMOS反相器的設計反相器的設計對對CMOSCMOS反相器反相器: :1.1.根據根據V VM M確定尺寸確定尺寸2.2.

3、根據上升下降時間相等原則根據上升下降時間相等原則設計（設計（W WP P/W/WN N2:1)2:1)RRTNTPDDMKKVVVV1第4頁/共48頁三態CMOS反相器VinVoutSS符號符號VinVoutSS電路圖電路圖低電平，高阻低電平，高阻用于多個電路模塊共用于多個電路模塊共享一條數據總線的情享一條數據總線的情形形第5頁/共48頁CMOS反相器中的功耗反相器中的功耗CLVdd n管截止管截止,p管導通管導通,輸出為輸出為“1” n p管同時導通管同時導通,輸出從輸出從“1”“0” p管截止管截止, n管導通管導通,輸出為輸出為“0”CMOS反相器工作在兩種狀態反相器工作在兩種狀態0 0

4、1 110 01pn靜止狀態靜止狀態電荷轉移狀態電荷轉移狀態（動態）（動態）第6頁/共48頁CLVddVDD0tV輸出保持輸出保持1不變，沒有電荷轉移不變，沒有電荷轉移輸出從輸出從“1”轉變為轉變為“0”, 有電荷轉有電荷轉移移01輸出保持輸出保持0不變，沒有電荷轉移不變，沒有電荷轉移動態功耗動態功耗靜態功耗靜態功耗1.1.當輸入信號為當輸入信號為0 0時：時：2.2.當輸入信號為當輸入信號為V VDDDD時：時：3.3.當輸入信號從當輸入信號從0 01(1(發生跳變發生跳變) )時時：CMOS反相器的功耗反相器的功耗第7頁/共48頁靜態功耗靜態功耗PS輸入輸入輸出輸出輸出輸出在輸入為在輸入為

5、0或或1（VDD)時，兩個時，兩個MOS管中總是一個截止管中總是一個截止一個導通，因此沒有從一個導通，因此沒有從VDD到到VSS的直流通路，也沒有的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態電流和功耗幾乎為電流流入柵極，因此其靜態電流和功耗幾乎為0。VinVout輸入輸入CMOS反相器的功耗反相器的功耗第8頁/共48頁考慮擴散區與襯底之間的反向漏電流后，存在較小反向漏電流考慮擴散區與襯底之間的反向漏電流后，存在較小反向漏電流隨著特征尺寸的減小，漏電流功耗變得不隨著特征尺寸的減小，漏電流功耗變得不可忽視，減小漏電流功耗是目前的研究熱可忽視，減小漏電流功耗是目前的研究熱點之一。點之一。第9頁/共48

6、頁CMOS 反相器版圖PolysiliconInOutVDDGNDPMOS2l lMetal 1NMOSOutInVDDPMOSNMOSContactsN Well第10頁/共48頁一位全加器電路功能設計半加器：實現兩個一位二進制數加法運算的電路稱為半加器。若將A、B分別作為一位二進制數，S表示A、B相加的“和”，C是相加產生的“進位”，半加器的真值表如表所示ABSC0 00 11 0 1 10 01 01 00 1ABSC=1&ABCSabcoso半加器邏輯圖及其邏輯符號： C=AB 表達式第11頁/共48頁 全加器：對兩個一位二進制數及來自低位的“進位”進行相加，產生本位“和”及向

7、高位”進位“的邏輯電路稱為全加器。由此可知，全加器有三個輸入端，兩個輸出端。CINABSUMCOUT半加器1半加器21第12頁/共48頁-用RTL描述的一位半加器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY HADDER ISPORT (A,B:IN STD_LOGIC; SO,CO:OUT STD_LOGIC); END ENTITY HADDER;ARCHITECTURE FH1 OF HADDER ISBEGINSO=A XOR B; CO=A AND B; END ARCHITECTURE FH1;-或門的邏輯描述LIBRARY IEE

8、E;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MYOR2 IS;PORT(A,B:IN STD_LOGIC;C: OUT STD_LOGIC );END ENTITY MYOR2;ARCHITECTURE FU1 OF MYOR2 ISBEIGNCD,S0=E);U2:HADDER PORT MAP(A=CIN,B=E,C0=F,S0=SUM);U3:MYORR2 PORT MAP(A=F,B=D,C=COUT);END ARCHITECTURE FD1;第14頁/共48頁互補靜態互補靜態CMOSCMOS組合邏輯電路組合邏輯電路iiiiiABCCBACBACBACB

9、ASiiOACBCABC)(iOiCBACABCS變換思路：在不減慢進位產生速度的前提下，讓變換思路：在不減慢進位產生速度的前提下，讓“和和”與與“進位進位”產生的子電路之間共享某些邏輯來減少晶體產生的子電路之間共享某些邏輯來減少晶體管數目管數目第15頁/共48頁ABBACiCiAXVDDVDDABCiBABVDDABCiCiABACiBCoVDDSS=CO(A+B+Ci)+ABCi互補靜態互補靜態CMOSCMOS組合邏輯電路組合邏輯電路連接連接Cin (Cin (關鍵路徑關鍵路徑) )的管子盡量靠近輸出端的管子盡量靠近輸出端CO=AB+BCi+ACi第16頁/共48頁雙阱工藝雙阱工藝 在一般

10、的CMOS流程中，第一步往往是定義MOSFET的有源區，現在的亞工藝通常采用雙阱工藝（也稱雙管）來定義NMOS和PMOS晶體管的有源區。阱通常是通過注入或擴散工藝形成的，摻雜為N型的稱為N阱，摻雜為P型的稱為P阱，而在同一硅片上形成N阱和P阱的稱為雙阱，注入的高能量、大劑量雜質深入外延層大約1um。阱注入決定了晶體管的發值工作電壓，同時避免了CMOS電路常見的一些問題。 第17頁/共48頁N阱形成的主要步驟是： 1、外延層；2、原氧化生長；3、第一層掩膜（N阱注入）；4、N阱注入（高能）；5、退火，如下圖。外延層與襯底有完全相同的晶格結構，只是純度更高晶格缺陷更少。氧化層的主要 作用是：1、保

11、護表面的外延層免受沾污；2、阻止在注入過程中對硅片過度損傷；3、作為氧化屏蔽層，有助于控制注入過程中雜質的注入深度。光刻膠圖形覆蓋了硅片上的特定區域，將起保護起來免于離子注入。離子注入機離化雜質原子，使其加速獲得高能，選出最恰當的元素注入，并聚焦離子成為極窄的一束，最后掃描使硅片不受光刻膠保護的區域得到均勻摻雜。雜質離子穿透硅的晶格結構，對其共價原子結構造成損傷，這種損傷在以后的擴散以及退火步驟中得到修復。 第18頁/共48頁N阱P+外延層氧化硅光刻膠P+硅襯底N阱的形成磷注入第19頁/共48頁退火產生4個結果：1、裸露的硅片表面生長了一層新的阻擋氧化層；2、高溫使得雜質向硅中移動（擴散）；3

12、、注入引起的損傷得到修復；4雜質原子與硅原子間的共價鍵被激活，使得雜質原子成為晶格結構中的一部分。第20頁/共48頁淺槽隔離（STI）工藝 淺槽隔離是在襯底上制作晶體管有源區之間隔離區的一種可選工藝，這一方法在制作亞器件時尤其有效。主要分為3個步驟：槽刻蝕、氧化物填充和氧化物平坦化。其中槽刻蝕分為4個步驟：1、隔離氧化層；2、氮化物淀積;3、第三層掩膜（淺槽隔離）；4、STI槽刻蝕，如圖。氮化物的作用有:其一，它是一層堅固的掩膜材料，有助于STI氧化物淀積過程中保護有源區；其二，它可以在化學機械拋光（CMP）中充當拋光阻擋層。沒有光刻膠保護的區域被離子和強腐蝕性的化學物質刻蝕掉氮化硅、氧化硅以

13、及硅。STI槽刻蝕第21頁/共48頁多晶硅柵結構工藝 晶體管中的柵結構的制作是流程當中最關鍵的一步，其原因主要是:柵氧化層是工藝中最薄的薄膜；多晶硅柵是工藝中物理尺寸最小的結構，通常是整個硅片上最關鍵的CD線寬。其主要步驟為：1、柵氧化層的生長；2、多晶硅淀積；3、第四層掩膜（多晶硅柵）；4、多晶硅柵刻蝕，如圖。在低壓化學氣相淀積設備中，硅烷分解，多晶硅淀積在硅片表面，其厚度約為5000A。多晶硅可以提供較低的工作函數（較低的開啟電壓）和可靠地多晶硅氧化膜。在多晶硅與光刻膠之間通常有一層抗反射涂層（ARC）,目的是減少不希望的反射。多晶硅柵結構工藝第22頁/共48頁輕摻雜（LDD）漏注入工藝

14、每個晶體管都要經過兩次注入，首先是稱為輕摻雜漏注入的淺注入，隨后是中等或高劑量的源/漏（S/D）注入。輕摻雜漏注入使用砷和BF2這些較大質量的摻雜材料使硅片表面成為非晶態。大質量材料和表面非晶態的結合有助于維持淺結，淺結還有助于減少源漏間的溝道漏電流效應。N-輕摻雜漏注入的步驟是：1、第五層掩膜（N-LDD注入）；2、N-LDD注入（低能量，淺結），如圖。P-輕慘雜漏注入的步驟是：1、第六層掩膜（P-LDD注入）；2、P-LDD注入（低能量，淺結）。N-LDD注入第23頁/共48頁側墻的形成 側墻用來環繞多晶硅柵，以防更大劑量的源漏（S/D）注入過于接近溝道可能引起的源漏穿通。主要步驟是：1、

15、淀積二氧化硅；2、二氧化硅反刻。首先，在整個硅片表面淀積一層二氧化硅，隨后利用干法刻蝕工藝反刻掉這層二氧化硅但并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅柵的側墻上保留了一部分二氧化硅源/漏（S/D）注入工藝 為了完成倒摻雜技術，用中等劑量的摻雜稍稍超過LDD的結深，但是比最初的雙阱摻雜的結深淺，上一步形成的側墻阻止了注入雜質侵入狹窄的溝道。N+S/D注入的主要步驟是：1、第七層掩膜（N+S/D注入）；2、 N+S/D注入（中等能量）P+S/D注入的步驟：1、第八層（ P+S/D 注入）；2、 P+S/D（中等能量）。在n+S/D注入和P+S/D注入后，硅片在快速退火裝置中退火?？焖偻嘶鹧b置能夠迅速達

16、到1000左右的高溫，并在設定溫度保持數秒，這種狀態對于阻止結構的擴展以及控制S/D區雜質的擴散都非常重要。第24頁/共48頁接觸（孔）的形成 接觸形成工藝的目的是在所有硅的有源區形成金屬接觸，這層金屬接觸可以使硅和隨后淀積的導電材料更加緊密地結合起來。故鈦是做金屬接觸的理想材料，也是可行的選擇。鈦的電阻很低，同時能夠與硅發生充分反應，并且與二氧化硅不發生反應，當溫度大于700時，鈦和硅發生反應生成鈦的硅化物。鈦和硅不發生反應，因此這兩種物質不會發生化學的鍵合或者物理的聚集，因此鈦能輕易地從二氧化硅表面除去，而不需要額外掩膜。鈦的硅化物在所有有源硅的表面保留下來。鈦金屬接觸的主要步驟是：1、鈦

17、淀積；2、退火；3、刻蝕鈦，如圖。接觸（孔）的形成第25頁/共48頁局部互連（LI）工藝 局部互連是在晶體管以及其他鈦硅化物接觸之間布金屬連接線。首先要求淀積一層介質薄膜，然后是化學機械拋光、光刻和鎢金屬淀積，最后以金屬層拋光結束。LI工藝分為LI氧化硅介質的形成和LI金屬的形成。其中制作LI金屬的主要步驟是;1、鈦淀積，2、氮化鈦淀積；3、鎢淀積；4、磨拋鎢，如圖。LI金屬的形成第26頁/共48頁通孔1和鎢塞1的形成 層間介質（ILD）充當了各層金屬間以及第一層金屬與硅間的介質材料。ILD上有許多小的通孔為相鄰的金屬層之間提供電學通道，并用導電金屬（通常是鎢，稱為鎢塞）填充。制作通孔1的主要

18、步驟是：1、ILD1氧化物淀（CVD）；2、氧化物磨拋；3、第十層掩膜（ILD1）。制作鎢塞1的主要步驟是:1、金屬淀積鈦阻擋層（PVD）；2、淀積氮化鈦（CVD）;3、淀積鎢（CVD）;4、磨拋鎢。第27頁/共48頁金屬1（M1）互連的形成 三明治金屬結構是由多種不同的難熔金屬構成，包括鈦、鋁銅合金和氮化鈦，由此構成器件的五層金屬疊加結構的第一層。包括LI金屬在內，本工藝流程介紹當中的器件總共有六層金屬。制作金屬1的主要步驟是;1、金屬鈦阻擋層淀積（CVD）;2、淀積鋁銅合金（CVD）;3、淀積氮化鈦（CVD）;4、第十一層掩膜（M1），如圖。金屬1互連的形成第28頁/共48頁通孔2和鎢塞2

19、的形成 制造通孔2的主要步驟是：1、ILD2間隙填充；2、ILD2氧化物淀積；3、ILD2氧化物平坦化；4、第十二層掩膜（ILD2）。制作鎢塞2的主要步驟是：1、金屬淀積鈦阻擋層（PVD）;2、淀積氮化鈦（CVD）；3、淀積鎢（CVD);4、磨拋鎢。有兩種常見的方法填充間隙：SOG反刻和高濃度等離子體化學氣相淀積（HDPCVD）.在亞工藝中更常用HDPCVD金屬2(M2)互連的形成 層間互連在剩下的金屬疊加結構中不斷地重復。制作金屬2互連的主要步驟是：1、淀積、刻蝕金屬2；2、填充ILD3間隙；3、淀積、平坦化ILD3氧化物；4、刻蝕通孔3，淀積鈦/氮化鈦淀積鎢，平坦化。第29頁/共48頁制作

20、金屬3直到制作點及合金 重復工藝制作M3和M4后，完成M4的刻蝕，淀積ILD5，這層不需要CMP，刻蝕ILD5使得在M5淀積過程中通孔能被金屬填充。M5的厚度較厚，刻蝕時在必要的地方形成壓焊點，在不需要的地方將金屬除去。工藝的最后一步包括再次生長ILD6以及隨后生長頂層氮化硅作為鈍化層，如圖所示。鈍化的目的是保護產品免受潮氣、劃傷以及沾污的影響。最后在擴散爐中進行低溫合金步驟，這一步加熱過程有助于提高互連金屬間的金屬接觸，從而提高器件的電學性能和可靠性。在這一步合金操作中必須特別小心以免產品過加熱，一起永久性的結構缺陷。COMS剖面圖第30頁/共48頁參數測試 硅片要進行兩次測試以確定產品的功

21、能可靠性。第一次測試在首層金屬刻蝕完成后進行，第二次測試是在完成芯片制造的最后一步工藝進行。金屬刻蝕完成以后，利用電學測試設備的微型探針測試硅片上特定器件測試結構的特定電學參數。最后在芯片廠外利用電學測試，揀選設備自動對硅片進行探查和測試。檢測硅片上每一個管芯的電學功能，通過軟件利用正交坐標將失敗的管芯標出，此后硅片被運往裝配部門，自此集成電路生產完成。第31頁/共48頁封裝形式封裝材料：塑料封裝 塑料封裝用于消費電子，因為其成本低，工藝簡單，可靠性高而占有絕大部分市場份額和PCB板連接方式：SMT封裝 目前市面上大部分IC均采用 表面貼裝式（SMT）封裝封裝外形：QFN四方引腳扁平式封裝第3

22、2頁/共48頁封裝原材料：1、晶圓2、引線框架提供電路連接和Die的固定作用；主要材料為銅、會在上面進行鍍銀、等材料； L/F的制程有Etch和Stamp兩種；易氧化，存放于氮氣柜中，濕度小于40%RH；除了BGA和CSP外，其他Packaged都會采用Lead Frame，BGA采用的是Substrae；3、焊接金線實現芯片和外部一線框架的電性和物理連接；金線采用的是99.99%的高純度金；同時，出于成本考慮，目前有采用銅線和鋁線工藝的。優點是成本低，同時工藝難度 加大，良率降低；線徑決定可傳導的電路；和2.0mils;4、塑封料/環氧樹脂主要成分為：環氧樹脂及各種添加劑（固定劑，改性劑，脫

23、模劑，染色劑，阻燃劑等）；主要功能為：在熔融狀態下個將Die和Lead Frame包裹起來，提供物理和電氣保護，防 止外界干擾；存放條件：零下5好存，常溫下需會溫24小時；5、銀漿成分為環氧樹脂填充金屬粉末（Ag）；有三個作用：將Die固定在Die Pad上；散熱作用，導電作用； -50一下存放，使用之前回溫24小時；第33頁/共48頁封裝工藝流程概述封裝工藝流程概述封裝工藝流程封裝工藝流程第34頁/共48頁封裝工藝流程封裝工藝流程芯片切割芯片切割 當前，晶圓片尺寸不斷加大，8英寸和12英寸晶圓使用越來越廣泛，為了保證硅圓片質量，圓片厚度相應增加，給芯片切割帶來了難度。所以在封裝之前，一定要對

24、硅片進行減薄處理第35頁/共48頁封裝工藝流程封裝工藝流程芯片切割芯片切割 以薄型小外形尺寸封裝（TSOP）為例，晶圓片電路層厚度為300um，晶圓片厚度為900um,電路層制作完成后，需要對硅片進行背面減薄。背面減薄將從晶圓廠出來的Wafer進行背面研磨，來減薄晶圓達到封裝需要的厚度（8mils-10mils）；磨片時，需要在正面貼膠帶保護電路區域同時研磨背面。研磨后，去除膠帶，測量厚度；粘膠帶磨片去膠帶第36頁/共48頁封裝工藝流程封裝工藝流程芯片貼裝芯片貼裝芯片貼裝（Die Mount）又稱芯片粘貼，是將IC芯片固定于封裝基板或引腳架承載座上的工藝過程。 芯片應貼裝到引腳架的中間焊盤上，

25、焊盤尺寸要與芯片大小相匹配封裝工藝流程封裝工藝流程芯片互連芯片互連 芯片互連是指將芯片焊區與電子封裝外殼的I/O引線或基板上的金屬布線焊區相連接，實現芯片功能的制造技術。第37頁/共48頁封裝材料成型技術封裝材料成型技術 熱固性聚合物：低溫時聚合物是塑性或流動的，當加熱固性聚合物：低溫時聚合物是塑性或流動的，當加熱到一定溫度時，聚合物分子發生交聯反應，形成剛性固熱到一定溫度時，聚合物分子發生交聯反應，形成剛性固體，并不能反復加熱使之塑性流動，不可回收利用。體，并不能反復加熱使之塑性流動，不可回收利用。 轉移成型技術（轉移成型技術（Transfer Molding） 熱固性塑料轉移成型工藝是將熱

26、固性塑料轉移成型工藝是將“熱流道注塑熱流道注塑”和和“壓壓力成型力成型” 組合工藝。傳統熱流道注塑成型中，熔體腔室組合工藝。傳統熱流道注塑成型中，熔體腔室中保持一定的溫度，在外加壓力作用下塑封料進入芯片模中保持一定的溫度，在外加壓力作用下塑封料進入芯片模具型腔內，獲得一定形狀的芯片外形。具型腔內，獲得一定形狀的芯片外形。 第38頁/共48頁封裝材料轉移成型過程封裝材料轉移成型過程1 1、芯片及完成互連的框架置于模具中；、芯片及完成互連的框架置于模具中；2 2、將塑封料預加熱后放入轉移成型機轉移罐中、將塑封料預加熱后放入轉移成型機轉移罐中；3 3、在一定溫度和轉移成型活塞壓力作用下，塑、在一定溫

27、度和轉移成型活塞壓力作用下，塑封料注射進入澆道，通過澆口進入模具型腔；封料注射進入澆道，通過澆口進入模具型腔；4 4、塑封料在模具內降溫固化，保壓后頂出模具、塑封料在模具內降溫固化，保壓后頂出模具進一步固化。進一步固化。第39頁/共48頁封裝工藝流程封裝工藝流程去飛邊毛刺去飛邊毛刺 毛刺飛邊是指封裝過程中塑封料樹脂溢出、貼帶毛邊、引線毛刺等飛邊毛刺現象。隨著成型模具設計和技術的改進，毛刺和飛邊現象越來越少。 封裝成型過程中，塑封料可能從模具合縫處滲出來，流到外面的引線框架上，毛刺不去除會影響后續工藝。第40頁/共48頁毛刺飛邊去除工藝： 介質去毛刺飛邊：研磨料和高壓空氣一起沖洗模塊介質去毛刺飛

28、邊：研磨料和高壓空氣一起沖洗模塊，研磨料在去除毛刺的同時，可將引腳表面擦毛，有助，研磨料在去除毛刺的同時，可將引腳表面擦毛，有助于后續上錫操作。于后續上錫操作。溶劑去飛邊毛刺和水去飛邊毛刺： 利用高壓液體流沖擊模塊，利用溶劑的溶解性去除利用高壓液體流沖擊模塊，利用溶劑的溶解性去除毛刺飛邊，常用于很薄毛刺的去除。毛刺飛邊，常用于很薄毛刺的去除。封裝工藝流程封裝工藝流程去飛邊毛刺去飛邊毛刺第41頁/共48頁封裝工藝流程封裝工藝流程引腳上焊錫引腳上焊錫上焊錫目的： 增加保護性鍍層，以增加引腳抗蝕性，并增加其可焊性 上焊錫方法：電鍍或浸錫工藝 電鍍工藝電鍍工藝: :引腳清洗引腳清洗- -電鍍槽電鍍電鍍槽電