第二章：CMOS制造流程

2.1 概述

CMOS（互补金属氧化物半导体）是现代集成电路的主流技术。本章将详细介绍CMOS芯片的制造流程。

2.1.1 NMOS和PMOS

CMOS由两种MOS管组成：

类型	载流子	衬底	源漏掺杂
NMOS	电子	P型	N+
PMOS	空穴	N型（阱）	P+

CMOS的优势：静态功耗极低，因为NMOS和PMOS互补工作。

2.2 前道工艺（Front End of Line, FEOL）

前道工艺包括器件制造的所有步骤。

2.2.1 浅沟槽隔离（STI）

目的：隔离不同的器件

工艺流程：
1. 氧化垫氧化层
2. 沉积氮化硅
3. 光刻定义隔离区
4. 刻蚀形成沟槽
5. 沉积氧化物填充
6. CMP平坦化

   ┌─────┐     ┌─────┐
   │Si₃N₄│     │Si₃N₄│
   ├─────┤     ├─────┤
   │Pad Ox│     │Pad Ox│
┌──┴─────┴─────┴─────┴──┐
│      STI Oxide         │
└────────────────────────┘
│        Silicon          │
└────────────────────────┘

2.2.2 阱注入

目的：形成PMOS所需的N阱

工艺：
1. 光刻定义阱区域
2. 离子注入（通常是磷或砷）
3. 退火激活

2.2.3 栅极制造

栅极是MOS管的核心

工艺流程：
1. 生长栅氧化层（SiO₂或High-K）
2. 沉积多晶硅
3. 光刻定义栅极图形
4. 刻蚀多晶硅

    Poly Gate
    ┌───────┐
    │       │
────┴───────┴────
    Gate Oxide
─────────────────
    Silicon

2.2.4 源漏注入

形成源极和漏极

LDD注入（轻掺杂漏）：减少热载流子效应
侧墙形成：定义源漏区域
重掺杂注入：降低接触电阻

   N+     Poly     N+
    ┌───┐┌─────┐┌───┐
    │   ││     ││   │
────┴───┴┴─────┴┴───┴────
         P-sub

2.3 后道工艺（Back End of Line, BEOL）

后道工艺包括金属互连。

2.3.1 接触孔（Contact）

连接源漏和第一层金属

沉积层间介质（ILD）
光刻定义接触孔
刻蚀接触孔
填充金属（通常是钨W）

2.3.2 金属互连

多层金属互连

现代工艺通常有6-14层金属：

Metal n    ─────────────────
           Via n-1
Metal n-1  ─────────────────
           ...
Metal 2    ─────────────────
           Via 1
Metal 1    ─────────────────
           Contact
           Source/Drain/Gate

互连材料：
- 早期：铝（Al）
- 现代：铜（Cu）+ 阻挡层

2.3.3 钝化层

保护芯片表面

SiN或SiO₂
开出焊盘窗口

2.4 版图工程师需要了解的工艺要点

2.4.1 设计规则

每个工艺节点都有详细的设计规则，包括：

最小宽度
最小间距
最小包围
最小面积

2.4.2 层的含义

层名	用途
OD（有源区）	源漏和沟道
Poly（多晶硅）	栅极
NWell/PWell	阱
Metal 1-6	金属互连
Via 1-5	层间连接
Contact	接触孔

2.4.3 寄生效应

版图会引入寄生效应：
- 寄生电阻：金属线、多晶硅
- 寄生电容：层间耦合、衬底电容
- 寄生电感：长金属线

2.5 本章小结

✅ CMOS工艺的基本流程
✅ 前道工艺：STI、阱、栅极、源漏
✅ 后道工艺：接触孔、金属互连
✅ 版图工程师需要了解的工艺要点

下一章预告：我们将开始学习Virtuoso版图设计工具的使用。

参考文献：《CMOS VLSI Design》、TSMC工艺文档