CMOS集成电路工艺与版.ppt

CMOS工艺与版图 王智鹏 先在硅表面制作一层二氧化硅 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 最后完成掺杂和金属化等工序 完成芯片的制造 集成电路制造 平面工艺 硅片 氧化硅 光刻胶 扩散区 定义版图 什么是版图 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 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 栅极负责施加控制电压 源极 漏极负责电流的流进流出 导电沟道 一 单个MOS管的版图实现 有源区 栅 导电沟道 有源区注入杂质形成晶体管 栅与有源区重叠的区域确定器件尺寸 称为导电沟道 1 图形关系 只要源极 漏极以及导电沟道所覆盖的区域称为有源区 芯片中有源区以外的区域定义为场区 MOS管中电流由源极流向漏极 沟道中电流流过的距离为沟道长度 截面尺寸为沟道宽度 电流方向 沟道长度L 沟道宽度W 2 器件尺寸设计 设计中 常以宽度和长度值的比例式即宽长比 W L 表示器件尺寸 例 假设一MOS管 尺寸参数为20 5 则在版图上应如何标注其尺寸 20 5 3 图形绘制 英特尔65纳米双核处理器的扫描电镜 SEM 截面图 常用图层 注意 不同软件对图层名称定义不同 严格区分图层作用 MOS器件版图图层 PMOS N阱 NWELLP型注入掩模 PSELECT有源扩散区 ACTIVE多晶硅栅 POLY引线孔 CC金属一 METAL1通孔一 VIA金属二 METAL2 MOS器件版图图层 NMOS N型注入掩模 NSELECT有源扩散区 ACTIVE多晶硅栅 POLY引线孔 CC金属一 METAL1通孔一 VIA金属二 METAL2 结构图 立体结构和俯视图 有源区 ACTIVE 引线孔 CC 金属一 METAL1 多晶硅栅 POLY N型注入掩模 NSELECT 版图设计中不需要绘制基片衬底材料以及氧化层 4 版图设计规则 版图设计规则一般都包含以下四种规则 1 最小宽度例如 金属 多晶 有源区或阱都必须保持最小宽度 2 最小间距例如 金属 多晶 有源区或阱都必须保持最小间距 3 最小包围例如 N阱 N 离子注入和P 离子注入包围有源区应该有足够的余量 多晶硅 有源区和金属对接触孔四周要保持一定的覆盖 4 最小延伸例如 多晶栅极须延伸到有源区外一定长度 在符合设计规则的前提下 争取最小的版图面积 5 阱与衬底连接 通常将PMOS管的衬底接高电位 正压 NMOS管的衬底接低电位 负压 以保证电路正常工作 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似的掺杂区域降低接触电阻 形成接触区 衬底半导体材料要与电极接触 同样需要引线孔 CC P管衬底为N阱 N型材料 接电源 衬底连接版图由NSELETC ACTIVE CC METAL1组成 N管衬底为基片 P型材料 接地 衬底连接版图由PSELETC ACTIVE CC METAL1组成 完整的MOS管版版图必须包含两个部分 a 由源 栅和漏组成的器件 b 衬底连接 源区 沟道区和漏区合称为MOS管的有源区 Active 有源区之外的区域定义为场区 Fox 有源区和场区之和就是整个芯片表面即基片衬底 SUB 衬底连接布局 尽可能多的设置衬底连接区 6 大尺寸器件的设计 单个MOS管的尺寸沟道宽度一般小于20微米 且宽长比W L 1MOS管宽长比 W L 比值大于10 1的器件可称为大尺寸器件 在版图上需要做特殊处理 大尺寸器件普遍应用于 缓冲器 buffer 运放对管 系统输出级 buffer 对管 缓冲器中的一级反相器 运放对管 大尺寸器件存在的问题 寄生电容 栅极串联电阻 大面积的栅极与衬底之间有氧化层隔绝 形成平板电容 细长的栅极存在串联电阻 导致栅极两端电压不同 栅电压降低 MOS管寄生电容值 MOS管栅极串联电阻值 G S D 设计方法 1 分段 大尺寸MOS管分段成若干小尺寸MOS管 b 截成4段 W L 50 1 a MOS管的W L 200 1 2 源漏共用 合并源 漏区 将4个小MOS管并联 a 形成S G D S G D 排列 b 左起第二个和第四个MOS管的 和漏互换 c 将相邻S D重叠 并联后MOS管宽长比与原大尺寸管宽长比相同 并联小MOS管个数为N 并联管的宽长比等于原大尺寸管宽长比的1 N 栅极串联电阻为原大尺寸管寄生电容的1 N 源漏共用只能在两个同类型MOS管中连接相同节点的端口之间实现 源漏共用可以在两个有相同节点的同类型MOS管 如与非门的两个P管 之间实现 注意 7 器件连接 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MOS管 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 注意 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 G S D 并联后连接源和漏的金属线形成 叉指 结构 为节省面积 可以适当考虑减少引线孔 使金属线跨越器件 并尽量将器件设置成矩形 8 MOS管阵列的版图实现 1 MOS管的串联 N1的源 漏区为X和Y N0的源 漏区为Y和Z 利用源漏共用 得到两个MOS管串联连接的版图 电路图 N1和N0串联版图 N1 N0版图 任意个MOS管串联 例如3个MOS管串联的版图 电路图 版图 2 MOS管并联 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 电路图 版图 栅极水平放置 栅极竖直方向排列 电路图 版图 三个或三个以上MOS管并联 类似大尺寸MOS管的拆分连接 源和漏的并联都用金属连接 叉指型 3 MOS管的复联复联是同时存在MOS管串联和并联的情况 棒状图设计 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 棒状图设计 在绘制版图之前先制作结构草图 可以很好的解决器件布局问题