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IC工艺和版图设计 第四章MOSFET版图设计 主讲 黄炜炜 Email hww 参考文献 1 AlanHastings著 张为译 模拟电路版图的艺术 第二版 电子工业出版社 CH11 12 本章主要内容 MOSFET版图基础 MOSFET版图样式 MOSFET的匹配 CH4 MOSFET版图基础 NMOS版图 MOSFET版图基础 NMOS版图 有源区掩膜 光刻胶2 氮化硅 二氧化硅 衬底 MOSFET版图基础 NMOS版图 有源区掩膜 氮化硅 二氧化硅 衬底 场氧 MOSFET版图基础 NMOS版图 有源区掩膜 衬底 场氧 MOSFET版图基础 NMOS版图 有源区掩膜 薄氧 衬底 场氧 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly Poly掩膜 光刻胶 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly Poly掩膜 光刻胶 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly P 注入掩膜 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly P 注入掩膜 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly P 注入掩膜 P MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly P MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 薄氧 Poly P N 注入掩膜 背栅 MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N 注入掩膜 N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N MOSFET版图基础 NMOS版图 Poly 衬底 场氧 场氧 Poly P N N N N MOSFET版图基础 NMOS版图 有源区 Poly1 P N CON M1 MOSFET版图基础 PMOS版图 有源区 Poly1 P N CON M1 N阱 MOSFET版图基础 PMOS版图 SiO2 场氧 场氧 poly metal metal P P N Nwell Psub MOSFET版图基础 MOS管的长和宽 实际晶体管中的长度等于源漏扩散区之间的距离 自对准晶体管版图绘制的长度L等于版图数据中跨过多晶硅栅从源区到漏区的距离 实际自对准工艺中晶体管的宽度是由有源区而不是多晶硅栅掩膜决定的 MOSFET版图基础 N阱P阱 NMOS制作于P型外延层 通过P 实现背栅接触 PMOS制作于N阱中 通过N 实现背栅接触 NMOS制作于P阱中 通过P 实现背栅接触 PMOS制作于N型外延层 通过N 实现背栅接触 NMOS制作于P阱中 通过P 实现背栅接触PMOS制作于N阱中 通过N 实现背栅接触 MOSFET版图基础 沟道终止注入 多晶和P 或N 图形相交的地方就可能形成自对准的多晶硅栅晶体管 在某些情况下 厚氧化层也可以形成MOSFET 在生长场氧之前 向场区注入合适的杂质可以提高晶体管的阈值电压 现代工艺中将能够提供场区掺杂的方法叫沟道终止注入 目前大部分CMOS工艺中使用两个互补的沟道终止注入来同时抑制NMOS和PMOS的寄生沟道 对所有的P场区进行P沟道终止注入来增大NMOS厚氧阈值电压 对N型场区进行N型沟道终止注入来增大NMOS厚场阈值电压 MOSFET版图基础 沟道终止注入 MOSFET版图基础 沟道终止注入 MOSFET版图基础 沟道终止注入 采用P和磷实现沟道终止注入后生长厚氧 MOSFET版图基础 阈值电压调整 理想情况下 增强型MOSFET的阈值电压在0 6 0 8V左右 不经过阈值电压调整的MOSFET NMOS阈值电压低于0 6V PMOS阈值电压高于0 8V 标准CMOS工艺中需要在生产厚氧后对阈值电压进行调整 对沟道区的注入可以改变MOSFET的阈值电压 P注入使阈值电压正向移动 N注入使阈值电压负向移动 标准CMOS工艺可以单独使用硼注入来调节两种MOSFET的阈值电压 且不需要额外的掩膜 MOSFET版图基础 按比例缩小晶体管 本章主要内容 MOSFET版图基础 MOSFET版图样式 MOSFET的匹配 CH4 MOSFET版图样式 接触孔等效电阻 MOSFET版图样式 扩散区等效电阻 MOSFET版图样式 折角MOSFET结构 MOSFET版图样式 考虑到有源区间距需注意工艺线提供的最小沟道宽度晶体管的面积不是最小的 例如 TSMC0 25um的工艺最小沟道长度是0 3um 但是该器件占的面积显然要比最小面积晶体管大 最小尺寸VS最小面积 MOSFET版图样式 长沟道MOSFET MOSFET版图样式 宽沟道MOSFET MOSFET版图样式 MOSFET版图样式 源 漏公共合并 MOSFET版图样式 源 漏公共合并 MOSFET版图样式 合并源 漏 背栅接触 去除不必要接触孔 源 漏公共合并 MOSFET版图样式 与非门及其版图 MOSFET版图样式 宽沟道器件版图 MOSFET版图样式 宽沟道器件版图 MOSFET版图样式 宽沟道器件版图 MOSFET版图样式 有效节省硅面积有效减小漏结电容刻蚀的不匹配造成沟道长度稍微不一致内部栅的边界条件近似相同对倾角注入不敏感 MOSFET版图样式 使用叉指结构使源 漏的接触孔面积达到最小通过将版图的对称性最小化电路失配使用低阻通路避免大电流流过该器件时造成较大压降保护关键节点 避免非正常节点注入有利于减小寄生现象容易实现匹配使电路更加对称 MOSFET版图样式 MOSFET版图样式 以增大源区电容为代价减小漏区电容 以增加开关速度和频率响应 环形器件版图 MOSFET版图样式 所有的晶体管都需要对背栅进行电气连接 没有背栅接触孔或背栅电阻过大的晶体管很容易发生闩锁效应 每个NMOS包含一只寄生横向NPN PMOS包含一只寄生横向PNP 背栅接触孔将相应的背栅电阻变成基极关断电阻 只要施加在这些电阻上的电压小于发射结导通电压 SCR将保持关断状态 背栅接触 MOSFET版图样式 背栅接触 MOSFET版图样式 背栅接触 MOSFET版图样式 背栅接触 MOSFET版图样式 叉指状背栅接触孔 背栅接触 MOSFET版图样式 背栅接触 MOSFET版图样式 背栅接触 MOSFET版图样式 PowerMOS 叉指结构 MOSFET版图样式 PowerMOS 曲栅式PowerMOS MOSFET版图样式 PowerMOS Waffle式PowerMOS 本章主要内容 MOSFET版图基础 MOSFET版图样式 MOSFET的匹配 CH4 MOSFET匹配 各种模拟电路都会用到匹配MOS管 有些电路主要利用栅源电压的匹配 而有些电路需要用到漏极电流的匹配 MOSFET匹配 在电路设计中优化电压匹配所需的偏置条件与优化电流匹配所需的偏置条件不同 可以优化MOSFET的电压匹配或电流匹配 但不能同时优化两者 推导可详见P538 MOSFET匹配 减小失调电压的方法 增大晶体管的尺寸 增大工艺跨导 有利于减小电压失配 减小过驱动电压有利于减小电压失配 但是注意过驱动电压小于一定值 如0 1V 对改善电压匹配无关 设计合理匹配的MOS版图 减小阈值失配和MOSFET尺寸失配 MOSFET匹配 依靠电流匹配工作的MOSFET 减小电流失调的方法 增大过驱动电压 减小阈值失配带来的影响 合理设计版图减小MOSFET的尺寸失配和阈值失配 MOSFET匹配 几何效应 MOS晶体管的尺寸 形状和方向会影响它们之间的互相匹配 1 阈值电压失配大小与有源区栅面积的平方根成反比 栅面积的增大有助于减小局部不规则影响 因而大尺寸晶体管比小尺寸晶体管能够更加精确匹配 2 工艺尺寸的缩小改善了阈值电压的失配 氧化层越薄 工艺跨导越大 使得阈值电压失配越小 如此间接改善了MOSFET的电压匹配 所以薄栅氧的晶体管的匹配程度优于厚栅氧的晶体管 但是在电压工作范围较大的情况下 注意薄氧化层晶体管容易受沟道长度调制效应的影响 MOSFET匹配 几何效应 3 工作在不同栅源电压下的短沟道晶体管 沟道长度调制效应会引起严重的失配 晶体管的习题失配与其源漏电压差成正比 与沟道长度成反比 在匹配精度要求不是很高的电流分配网络 可以使用长沟道器件来减小沟道长度调制效应 在高精度情况下 可以让匹配晶体管工作在相同源漏电压下 加入级联减小沟道长度调制效应影响 4 方向一致性MOSFET的工艺跨导取决于载流子的迁移率 所以沿着不同晶轴的MOS在应力下表现不同的跨导 为了避免由应力产生的失配 晶体管的取向应该一致 MOSFET匹配 几何效应 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 横向扩散 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 在工艺中刻蚀速率并不是总是一致的 当开孔越大时 刻蚀速率越快 该效应可能造成刻蚀过度 如图所示的M1M2M3管因为外边缘刻蚀的缘故 M1和M3的外边缘刻蚀比M2对应的边缘刻蚀更为严重 所以M1和M3的栅长比M2的稍微短一点 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 Dummy Dummy 使用虚拟器件 Dummy 防止多晶硅栅过度刻蚀 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 Dummy管栅电极与邻近的栅电极相连 但是这样会使端电容和漏电流增大 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 Dummy管栅极与晶体管源极 背栅电位 相连 有助于保证晶体管的电学特性不受Dummy管下边伪沟道的影响 MOSFET匹配 扩散和刻蚀效应 将多晶硅栅连接起来 形成梳状结构 便于布图 但是由于临近区域存在多晶图形 容易影响刻蚀速率 为了达到最佳的匹配效果 应该使用金属连线连接简单的矩形多晶硅条 如果匹配栅极必须用多晶硅连接 那么连接多晶硅与有源区的距离在设计规则所允许的最小值在增加1 2um MOSFET匹配 有源栅极上的接触孔 MOS管的有源栅极上的接触孔位置有时会引起显著的阈值电压失配 所以多晶硅栅的接触孔不能放在薄氧的上方 必须放置于厚氧的上 MOSFET匹配 沟道附近的扩散区 一般N阱不应该靠近匹配NMOS 防止N阱杂质分布的尾部与匹配晶体管沟道相交 PMOS晶体管应位于N阱区域的内部 防止横向扩散引发背栅掺杂发生变化 深扩散区会影响附近MOSFET的匹配 这些扩散区的尾部会延伸相当长的距离超出它们的结 由此引入的过量杂质会使附近的晶体管的阈值电压和跨导发生改变 所以侧阱等深扩散区应远离匹配的沟道 MOSFET匹配 沟道附近的扩散区 MOSFET匹配 氢化作用 匹配MOSFET金属连线版图的不同会在原本相同的器件中引入大的失配 这种失配的原因在于结构上方存在 或缺少金属 导致了不完全话的氢化诱发了失配 覆盖金属MOSFET和没有覆盖金属的MOSFET之间可能出现高达20 的系统漏电流失配 金属边缘的下方的氢扩散产生阈值电压梯度 从而造成被覆盖器件之间明显的失配 所以在关键的匹配晶体管的有源栅区上方不应该进行金属化 在任何情况下 两只匹配晶体管上方的金属化版图必须相同 当然在次要器件可以完全在金属下方或者可以有金属穿过 MOSFET匹配 填充金属和MOSFET匹配 现代工艺中经常使用CMP的方法得到细线光刻所需的高平整度平面 通常需要额外添加金属来满足一定的金属覆盖率 版图工具可以自动生成Dummy金属 但是这种方法可能导致在匹配的MOSFET上方放置金属图形 所以版图设计者必须去除掉软件在匹配金属上方的Dummy金属 在版图设计中设计者必须留心规则中有关填充金属区域之间的距离限制来保证一定的平整度 MOSFET匹配 热效应和应力效应 另一种重要的失配 类型是由大范围的变化引起的 1 氧化层厚度梯度 相距较近的器件具有非常相近的氧化层厚度 但是相距较远的器件氧化层厚度有很大的区别 这些差别直接影响了阈值电压的失配 2 应力梯度 mos晶体管的阈值电压与应力无关 所以应力对电压的匹配几乎没有影响 存在的很小的影响可能是因为应力使硅的带隙电压发生了变化 其引起的阈值电压的变化一般不超过几毫伏 通过共质心版图可以进一步减小 3 热梯度 阈值电压随温度升高而降低 速率大约 2mV 一般通过共质心版图来改善匹配状况 MOSFET匹配 热效应和应力效应 MOSFET匹配 共质心版图 氧化层厚度梯度 MOSFET匹配 共质心版图 MOSFET匹配 共质心版图 MOSFET阵列叉指结构实例 MOSFET匹配 共质心版图 ABBAAB MO