CMOS集成电路工艺与版.ppt

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1、CMOS工艺与版图工艺与版图王智鹏王智鹏n先在硅表面制作一层二氧化硅；先在硅表面制作一层二氧化硅；n然后通过光刻，在二氧化硅上需要扩散掺然后通过光刻，在二氧化硅上需要扩散掺入杂质的区域开设窗口；入杂质的区域开设窗口；n最后完成掺杂和金属化等工序，完成芯片最后完成掺杂和金属化等工序，完成芯片的制造。的制造。集成电路制造集成电路制造(平面工艺平面工艺)硅片硅片氧化硅氧化硅光刻胶光刻胶扩散区扩散区定义版图定义版图n什么是版图？什么是版图？n集成电路制造工艺中，通过光刻和刻蚀将集成电路制造工艺中，通过光刻和刻蚀将掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造集成电路时使用的掩

2、膜版上的几何图形定集成电路时使用的掩膜版上的几何图形定义为集成电路的版图。义为集成电路的版图。n版图要求与对应电路严格匹配，具有完全版图要求与对应电路严格匹配，具有完全相同的器件、端口、连线相同的器件、端口、连线栅极负责施加控制电压栅极负责施加控制电压源极、漏极负源极、漏极负责电流的流进责电流的流进流出流出导电沟道导电沟道一、单个一、单个MOS管的版图实现管的版图实现有源区有源区栅栅导电沟道导电沟道 有源区注入杂质有源区注入杂质形成晶体管，形成晶体管，栅与有源区重叠栅与有源区重叠的区域确定器件的区域确定器件尺寸，尺寸，称为称为导电沟道导电沟道1、图形关系、图形关系 只要源极、漏极以及导电沟道所

3、覆盖的只要源极、漏极以及导电沟道所覆盖的区域称为区域称为有源区有源区。芯片中有源区以外的区域定义为芯片中有源区以外的区域定义为场区。场区。MOS管中电流由源极流向漏极。管中电流由源极流向漏极。沟道中电流流过沟道中电流流过的距离为沟道的距离为沟道长度长度；截面尺寸为沟道截面尺寸为沟道宽度宽度。电流方向电流方向沟道长度沟道长度L沟道宽度沟道宽度W2、器件尺寸设计、器件尺寸设计n设计中，常以宽度和长度值的比例式即设计中，常以宽度和长度值的比例式即宽宽长比（长比（W/L）表示器件尺寸。表示器件尺寸。n例：假设一例：假设一MOS管，尺寸参数为管，尺寸参数为20/5。则。则在版图上应如何标注其尺寸。在版图

4、上应如何标注其尺寸。20/53、图形绘制、图形绘制英特尔英特尔65纳米双核处理器的扫描电镜纳米双核处理器的扫描电镜(SEM)截面图截面图 版版图图层图图层名称名称含含义义NwellN阱阱Active有源有源扩扩散区散区PselectP型注入掩膜型注入掩膜NselectN型注入掩膜型注入掩膜Poly多晶硅多晶硅cc引引线线孔孔Metal1第一第一层层金属金属Metal2第二第二层层金属金属Via通孔通孔常用图层常用图层注意：注意：n不同软件对图层名称定义不同；不同软件对图层名称定义不同；n严格区分图层作用。严格区分图层作用。版版图图层图图层名称名称含含义义cc（或（或cont）引引线线孔（孔（连

5、连接金属与多晶硅接金属与多晶硅或有源区或有源区）Via通孔（通孔（连连接第一和第二接第一和第二层层金金属属）MOS器件版图图层器件版图图层PMOSnN阱阱NWELLnP型注入掩模型注入掩模PSELECTn有源扩散区有源扩散区ACTIVEn多晶硅栅多晶硅栅POLYn引线孔引线孔CCn金属一金属一METAL1n通孔一通孔一VIAn金属二金属二METAL2MOS器件版图图层器件版图图层NMOSnN型注入掩模型注入掩模NSELECTn有源扩散区有源扩散区ACTIVEn多晶硅栅多晶硅栅POLYn引线孔引线孔CCn金属一金属一METAL1n通孔一通孔一VIAn金属二金属二METAL2结构图结构图 立体结构

6、和俯视图立体结构和俯视图 有源区（有源区（ACTIVE）引线孔（引线孔（CC）金属一（金属一（METAL1）多晶硅栅（多晶硅栅（POLY）N型注入掩模型注入掩模（NSELECT）n版图设计中不需要绘制基片衬版图设计中不需要绘制基片衬底材料以及氧化层底材料以及氧化层4、版图设计规则、版图设计规则n版图设计规则一般都版图设计规则一般都包含以下四种规则：包含以下四种规则：(1)最小宽度最小宽度例如，金属、多晶、例如，金属、多晶、有源区或阱都必须有源区或阱都必须保持最小宽度。保持最小宽度。(2)最小间距最小间距例如，金属、多晶、例如，金属、多晶、有源区或阱都必须有源区或阱都必须保持最小间距。保持最小间

7、距。(3)最小包围最小包围例如，例如，N阱、阱、N+离离子注入和子注入和P+离子注离子注入包围有源区应该入包围有源区应该有足够的余量有足够的余量;多晶多晶硅、有源区和金属硅、有源区和金属对接触孔四周要保对接触孔四周要保持一定的覆盖。持一定的覆盖。(4)最小延伸最小延伸例如，多晶栅极例如，多晶栅极须延伸到有源区须延伸到有源区外一定长度。外一定长度。在符合设计规则的前在符合设计规则的前提下，提下，争取最小的版图面积争取最小的版图面积5、阱与衬底连接、阱与衬底连接n通常将通常将PMOS管的衬底接高电位（正压）管的衬底接高电位（正压）；NMOS管的衬底接低电位（负压），管的衬底接低电位（负压），以保以

8、保证电路正常工作证电路正常工作n衬底材料导电性较差，为了保证接触的效衬底材料导电性较差，为了保证接触的效果，需要在接触区域制作一个同有源区类果，需要在接触区域制作一个同有源区类似的似的掺杂区域掺杂区域降低接触电阻，形成接触区。降低接触电阻，形成接触区。n衬底半导体材料要与电极接触，同样需要衬底半导体材料要与电极接触，同样需要引线孔（引线孔（CC）；nP管衬底管衬底为为N阱阱（N型材料型材料），接），接电源电源；衬底连接；衬底连接版图由版图由NSELETC、ACTIVE、CC、METAL1组成组成nN管衬底管衬底为基片（为基片（P型材料型材料），接），接地地；衬底；衬底连接版图由连接版图由PSE

9、LETC、ACTIVE、CC、METAL1组成组成n 完整的完整的MOS管版版图必须包含两个部管版版图必须包含两个部分：分：a）由源、栅和漏组成的器件；）由源、栅和漏组成的器件；b）衬底连接。）衬底连接。n源区、沟道区和漏区合称为源区、沟道区和漏区合称为MOS管的管的有有源区源区(Active），），有源区之外的区域有源区之外的区域定义为定义为场区（场区（Fox)。有源区和场区之。有源区和场区之和就是整个芯片表面即和就是整个芯片表面即基片衬底基片衬底（SUB）。衬底连接布局衬底连接布局n尽可能多的设置衬底连接区尽可能多的设置衬底连接区6、大尺寸器件的设计、大尺寸器件的设计n单个单个MOS管的尺

10、寸沟道宽度一般小于管的尺寸沟道宽度一般小于20微微米，且宽长比米，且宽长比W/L1nMOS管宽长比（管宽长比（W/L）比值大于）比值大于10：1的器的器件可称为大尺寸器件。在版图上需要做特件可称为大尺寸器件。在版图上需要做特殊处理。殊处理。大尺寸器件普遍应用于：大尺寸器件普遍应用于：缓冲器（缓冲器（buffer）、）、运放对管、运放对管、系统输出级。系统输出级。buffer对管对管缓冲器中的一级反相器缓冲器中的一级反相器运放对管运放对管大尺寸器件存在的问题：大尺寸器件存在的问题：寄生电容；寄生电容；栅极串联电阻栅极串联电阻 大面积的栅极与衬底之间有氧化大面积的栅极与衬底之间有氧化层隔绝，形成平

11、板电容层隔绝，形成平板电容 细长的栅极存在串联电阻，导细长的栅极存在串联电阻，导致栅极两端电压不同致栅极两端电压不同栅电压降低栅电压降低MOS管寄生电容值管寄生电容值MOS管栅极串联电阻值管栅极串联电阻值GSD 设计方法设计方法 （1）分段）分段 大尺寸大尺寸MOS管分段成若干小尺寸管分段成若干小尺寸MOS管。管。(b)截成4段（W/L=50/1）(a)MOS管的W/L=200/1（2）源漏共用）源漏共用 合并源合并源/漏区，将漏区，将4个小个小MOS管并联管并联(a)形成形成S-G-D、S-G-D排列排列(b)左起第二个和第四个左起第二个和第四个MOS管的、和漏互换管的、和漏互换(c)将相邻

12、将相邻S、D重叠重叠n并联后并联后MOS管宽长比与原大尺寸管宽长比管宽长比与原大尺寸管宽长比相同；相同；n并联小并联小MOS管个数为管个数为N，并联管的宽长比，并联管的宽长比等于原大尺寸管宽长比的等于原大尺寸管宽长比的1/N；n栅极串联电阻为原大尺寸管寄生电容的栅极串联电阻为原大尺寸管寄生电容的1/Nn源漏共用只能在两个源漏共用只能在两个同类型同类型MOS管中连接管中连接相同节点相同节点的端口之间实现；的端口之间实现；n源漏共用可以在两个有源漏共用可以在两个有相同节点相同节点的的同类型同类型MOS管（如与非门的两个管（如与非门的两个P管）之间实现管）之间实现注意！注意！7、器件连接、器件连接n

13、实现源漏共用之后，需要将相应的端口连实现源漏共用之后，需要将相应的端口连接才能形成完整的接才能形成完整的MOS管。管。n将源极、漏极分别用梳状金属线连接，栅将源极、漏极分别用梳状金属线连接，栅极用多晶硅作为引线连接。极用多晶硅作为引线连接。n注意：注意：过长的多晶硅引线将导致较大的线电阻；过长的多晶硅引线将导致较大的线电阻；为了减小接触电阻，应尽量多做引线孔为了减小接触电阻，应尽量多做引线孔GSD并联后连接源和漏的金属线形成并联后连接源和漏的金属线形成“叉叉指指”结构。结构。为节省面积，可以适当考虑减少引线孔，为节省面积，可以适当考虑减少引线孔，使金属线跨越器件；并尽量将器件设置使金属线跨越器

14、件；并尽量将器件设置成矩形成矩形8、MOS管阵列的版图实现管阵列的版图实现 (1)MOS管的串联。管的串联。N1的源、漏区为的源、漏区为X和和Y，N0的源、漏区为的源、漏区为Y和和Z。利用源漏共用，得到两个利用源漏共用，得到两个MOS管串联连接的版图。管串联连接的版图。电路图电路图 N1和和N0串联版图串联版图 N1、N0版图版图 任意个任意个MOS管串联。管串联。例如例如3个个MOS管串联的版图。管串联的版图。电路图电路图 版图版图（2）MOS管并联管并联(并联是指它们的源和源连并联是指它们的源和源连接，漏和漏连接，各自的栅还是独立的。接，漏和漏连接，各自的栅还是独立的。)电路图电路图 版图

15、版图 栅极水平放置栅极水平放置栅极竖直方向排列栅极竖直方向排列电路图电路图 版图版图 三个或三个以上三个或三个以上MOS管并联。管并联。类似大尺寸类似大尺寸MOS管的拆分连接管的拆分连接源和漏的并联都用金属连接（叉指型）源和漏的并联都用金属连接（叉指型）（3）MOS管的复联管的复联 复联是同时存在复联是同时存在MOS管串联和并联的情况。管串联和并联的情况。n棒状图设计棒状图设计：n为了方便地从电路中得到最有效的源漏共为了方便地从电路中得到最有效的源漏共用版图，可以使用用版图，可以使用“棒状图设计棒状图设计”，在绘，在绘制版图之前先制作结构草图。制版图之前先制作结构草图。n可以很好的解决器件布局问题可以很好的解决器件布局问题二、集成电路版图设计方法二、集成电路版图设计方法n“混合混合棒状图棒状图”法：法：矩形代表有源区矩形代表有源区(宽度不限宽度不限)；实线代表金属；实线代表金属；虚线代表多晶硅；虚线代表多晶硅；“”代表引线孔。其它层次不画代表引线孔。其它层次不画,n通常靠近电源通常靠近电源vdd的是的是P管，靠近地线管，靠近地线gnd的是的是N管。管。反相器棒状图反相器棒状图电路图电路图-棒状图棒状图-版图版图ab练习n三输入与非门、或非门棒状图