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    PROCESO CMOSVanessa Vargas

    Quito, Septiembre 2010

    ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO

    DISEO VLSI

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    ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO

    DISEO VLSI

    Introduction

    Recurring steps Process FlowManufacturing

    Design Rules

    Layer Representation

    Conclusion

    CMOS PROCESS

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    ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO

    INTRODUCTION

    INTRODUCCIN

    No debe saber detalles del proceso.Pero debe tener conocimientos generales de constraints fsicas,costos, etc.

    DigitalDesigner

    Define los patterns(patrones) apli cados a los diferentes layers(capas)del semiconductor.

    Interface:Optical Masks

    Conjunto de constraints(restriccin)Ancho y separacin mnima entre patternsContrato entre circuit designer y process engineerGaranta de que el circuito sea realizable con xitoDesign Rules

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    INTRODUCTION

    WELL ANS SUBSTRATES

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    INTRODUCTION

    MODERN DUAL WELL PROCESS

    p-well n-well

    p+

    p-epi

    SiO2

    AlCu

    poly

    n+

    SiO2

    p+

    gate-oxide

    Tungsten

    TiSi2

    Dual-Well Trench-Isolated CMOS Process

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    MANUFACTURING

    PHOTOLITOGRAPHYSi-substrate

    Si-substrate

    (a) Silicon base material

    (b) After oxidation and depositionof negative photoresist

    (c) Stepper exposure

    Photoresist

    SiO2

    UV-light

    Patternedoptical mask

    Exposed resist

    Si-substrate

    Opcional SiO2 aplicable para

    aislar(insulate) gate

    OxidationLayering

    Light sensitive polimer(latex) Aplicado mientras gira el wafer Espesor 1 um Original soluble Insoluble al exponer a UV

    Photoresistcoating

    Glass mark over the wafer Contains patterns Mask+ wafer exposed to UV

    Stepperexposure

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    MANUFACTURING

    PHOTOLITOGRAPHY

    Remueve non-exposed areas concido o base

    Luego es horneado paraendurecer el photoresist

    permanente

    Photoresistdevelopme

    nt

    Material removido de reas sinphotoresist

    Varios qumicos peligrosos sonusados

    Etching

    SPIN+Rinse+Dry Wafer limpiado con agua Secado con nitrgeno

    SRD

    SiO2

    Si-substrate

    Si-substrate

    SiO2

    (d) After development and etching of resist,chemical or plasma etch of SiO

    2

    (e) After etching

    Hardened resist

    Hardened resist

    Chemical or plasmaetch

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    MANUFACTURING

    PHOTOLITOGRAPHY

    2 mtodos para introducir implantes rea expuesta es dopada, el resto es cubierta de

    material buffer SiO2

    Diffusion andIon implantation

    Wafers colocados dentro de tubo de cuarzo enhorno

    Gas con dopantes introducido en tubo.Calentamiento 900-1000 C

    Concentracin final decrece desde la superficie.

    Diffusion

    Dopantes introducidos mediante un haz de iones Permite control de profundidad y dosis(aceleracin,

    corriente y tiempo) Mtodo ha superado a la difusin Drawback: lattice damage. Corregido con

    annealing. Wafer calentado, vibracin arreglaestructura de tomos.

    Ion

    Si-substrate

    SiO2

    (f) Final result after removal of resist

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    MANUFACTURING

    PHOTOLITOGRAPHY

    Colocar layers de material sobre el wafer Material: buffer, insulating, conducting Diferentes mtodos para cada caso. Ejm. SiO2,

    aluminio, etc

    Deposition

    Formar patterns selectivamentes(wires, contacts) Tradicionalmente se ha usado cido o base. Actualmente: plasma(nitrogen, chorine, baron

    thricloride)

    Etching

    Obtener superficie plana Es importante previo deposition CMP Method(Chemical-mechanical planarization).

    Lquido con material abrasivo( xido de aluminio oslica)

    Planarization

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    MANUFACTURING

    CMOS PROCESSoxidation

    opticalmask

    processstep

    photoresist coatingphotoresistremoval (ashing)

    spin, rinse, dryacid etch

    photoresist

    stepper exposure

    development

    Typical operations in a singlephotolithographic cycle (from [Fullman]).

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    PROCESS FLOW

    Define active areasEtch and fill trenches

    Implant well regions

    Deposit and patternpolysilicon layer

    Implant source and drainregions and substrate contacts

    Create contact and via windowsDeposit and pattern metal layers

    Source: Digital Integrated CircuitsA Design Perspective

    Jan M. RabaeyAnantha Chandrakasan

    Borivoje Nikolic

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    PROCESS FLOW

    p+

    p-epi (a) Base material: p+ substratewith p-epi layer

    p+

    (c) After plasma etch of insulatingtrenches using the inverse ofthe active area mask

    p+

    p-epiSiO2

    3SiN4

    (b) After deposition of gate-oxide andsacrificial nitride (acts as abuffer layer)

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    PROCESS FLOW

    SiO2

    (d) After trench filling, CMPplanarization, and removal ofsacrificial nitride

    (e) After n-well andVTp adjust implants

    n

    (f) After p-well andVTn adjust implants

    p

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    PROCESS FLOW

    (g) Afterpolysilicon depositionand etch

    poly(silicon)

    (h) After n+source/drain andp+source/drain implants. These

    p+n+

    steps also dope the polysilicon.

    (i) After deposition of SiO2insulator and contact hole etch.

    SiO2

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    PROCESS FLOW

    (j) After deposition andpatterning of first Al layer.

    Al

    (k) After deposition of SiO2

    insulator, etching of vias,deposition and patterning ofsecond layer of Al.

    AlSiO

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    PROCESS FLOW

    INTERCONNECT IMPACT ON A CHIP

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    PROCESS FLOW

    ADVANCED METALLIZATION

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    DESIGN RULES

    entre el ingeniero diseador y elingeniero de procesos

    Se requiere de unInterfaz

    Guas deconstruccin para lasmscaras de proceso

    Reglas de diseo escalables:parmetro lambda

    Dimensiones absolutas (reglas micron )

    Dimensin de launidad: el ancho de

    lnea mnimo

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    DESIGN RULES

    INTRA LAYER

    10

    90

    Well

    Active3

    3

    Polysilicon

    2

    2

    Different PotentialSame Potential

    Metal13

    3

    2

    Contactor Via

    Select

    2

    or6

    2Hole

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    DESIGN RULES

    VIAS AND CONTACTS

    1

    2

    1

    Via

    Metal toPoly ContactMetal to

    Active Contact

    1

    2

    5

    4

    3 2

    2

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    DESIGN RULES

    INTER LAYER

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    LAYER REPRESENTATION

    EJM. COLOR REPRESENTATIONLayer

    Polysilicon

    Metal1

    Metal2

    Contact To Poly

    Contact To Diffusion

    Via

    Well (p,n)

    Active Area (n+,p+)

    Color Representation

    Yellow

    Green

    Red

    Blue

    Magenta

    Black

    Black

    Black

    Select (p+,n+) Green

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    LAYER REPRESENTATION

    CMOS INVERTER LAYOUT

    A A

    np-substrate Field

    Oxidep+n+

    In

    Out

    GND VDD

    (a) Layout

    (b) Cross-Section along A-A

    A A

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    LAYER REPRESENTATION

    CMOS LAYOUT EDITOR