第二章 版图设计规则

华侨大学信息学院电子工程系厦门专用集成电路系统重点实验室IC工艺和版图设计第二章版图设计规则主讲：黄炜炜Email：[e-mail]华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室参考文献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.CH2-32.R.JacobsBaker著.陈中建译.CMOS电路设计布局与仿真.第一版.机械工业出版社.CH2-43.MichaelQuirk著.韩郑生译.半导体制造技术.第一版.电子工业出版社.CH4、CH94.CSMC0.5umDPTMMixedSignalTechnologyTechnologyTopologicalDesignRule华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容版图层次定义版图设计规则简单反相器版图Layout华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义Layout1.有源区2.N阱4.正常Vth沟道注入5.低VthNMOS沟道注入6.低VthPMOS沟道注入7.耗尽型NMOS沟道注入8.耗尽型PMOS沟道注入ActiveNWell---------LVNTOTBPTBCPSNDPD3.场注入---------LVPVDNVDP华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义Layout9.纵向NPN基区注入10.多晶硅12.P型源/漏13.ROM14.Poly2阻挡层15.Poly216.接触孔P-basePoly1N+ROMBAGTSNSPIMPCW111.N型源/漏P+HighResPoly2ContactRO华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义Layout17.金属118.M1和M2接触孔20.M2和M3接触孔21.金属322.焊盘PADMetal1VIA1A1W1A2W3CP19.金属2Metal2Metal3VIA2PADA3华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义多晶硅2阻挡层多晶硅2多晶硅1有源区Nwell•N阱•有源区（薄氧区）•多晶硅1（Poly1）.•多晶硅2（Poly2）•多晶硅2掺杂阻挡层•N阱华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义如果制造集成电路的硅片掺杂了磷等施主杂质，则该类型的硅片称为n型硅；如果掺杂了硼等受主杂质，则该类型的硅片称为p型硅。在制作CMOS集成电路时，N沟MOSFET（简称NMOS）直接制作在p衬底上；P沟MOSFET（简称PMOS）需要制作在N阱上。nnpp源源漏漏栅栅n阱nmospmosp衬底p衬底NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义实际上制造集成电路前，有些CMOS工艺需要先在硅片上生长一层外延层，以减少闩锁效应的影响（该效应将在以后详细介绍）。习惯上我们把外延层和原来的衬底都称作衬底。使用p衬底n阱的工艺称为N阱工艺。使用n衬底p阱的工艺称P阱工艺。现代工艺出于牺牲PMOS性能来优化NMOS性能，所以大多数工艺都是N阱工艺。现代工艺中也有同时使用N阱和P阱的工艺，称为双阱工艺。NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义N阱P衬底N阱和P衬底构成寄生二极管，在CMOS电路中衬底通常接最低电平，确保二极管处于反偏。理想情况下，从衬底流出的电流为0.NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义N阱作用：1.N阱最主要的作用在于制造PMOS。2.N阱掺杂浓度较低，电阻率较高，可以用于制造电阻，称为阱电阻。3.N阱可以和衬底构成二极管，也可以用于制造寄生PNP管（纵向PNP）。（注：具体如何制造电阻、二极管、双极管将在后面专门的章节进行介绍。）NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义硅片涂胶后，通过N阱掩膜板，将硅片放在光线下，并进一步通过显影去掉被光照的光刻胶。极紫外线不透光区透光区掩膜版曝光区未曝光区SiO2P衬底NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义光刻胶SiO2P衬底刻蚀光刻胶SiO2P衬底去光刻胶接着将硅片暴露在施主原子下，施主杂质会被光刻胶阻挡住，同时也能通过光刻胶上的开孔扩散到开孔区域的硅片中。SiO2P衬底不透光区透光区掩膜版NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义扩散到一定时间后，N阱的深度达到工艺期望值。需要注意的是：施主杂质不仅会沿垂直硅片的方向扩散（纵向扩散）；还会在硅片中间向四周扩散（横向扩散）。（记住这一特性，这和以后的N阱设计规则有密切关系）NWell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义NWellNwellNwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetal华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义NWellP－typeSiSiO2光刻胶光MASKNwell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义NWellP－typeSiSiO2光刻胶光刻胶MASKNwell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义NWellP－typeSiSiO2光刻胶光刻胶SiO2华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义NWellP－typeSiSiO2SiO2Nwell华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义多晶硅2阻挡层多晶硅2多晶硅1有源区Nwell•N阱•有源区（薄氧区）•多晶硅1（Poly1）.•多晶硅2（Poly2）•多晶硅2掺杂阻挡层华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区有源区的主要用于制造N型器件和P型器件，也可以用于金属1和衬底或阱的接触。从某种意义上说有源区的掩膜板主要用于打开离子注入的窗口。实际上有源区掩膜板的意义在于作为制造硅局部氧化（LOCOS）和薄氧（封闭图形内形成薄氧，封闭图形外形成LOCOS）。华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区NwellactivePwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetal华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区P－typeSiSiO2NwellSiO2Si3N4生长薄氧氮化硅用于应力释放华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区P－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶MASKactiveMASKActiveSi3N4华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区P－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶光刻胶MASKactiveMASKActiveSi3N4华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区P－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶光刻胶Si3N4华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义P－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧NwellSi3N4有源区封闭图形外形成LOCOS华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义P－typeSiSiO2Pwell场氧场氧场氧Nwell有源区华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义P－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Nwell薄氧封闭图形内形成薄氧有源区华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义有源区LOCOS生长场氧时，氧化层会向四周做侵蚀，称为氧化物侵蚀，侵蚀形成的氧化层形状称为鸟嘴，这种侵蚀会影响MOSFET的沟道宽度。所以实际制造出来的器件的沟道长度会比版图所画的沟道长度小。现代工艺中0.25um以下特征尺寸的工艺一般不使用LOCOS做隔离，而是使用浅槽隔离（STI）。FOXFOX栅氧有源区栅氧FOXFOX有源区掩膜理想的LOCOS实际LOCOS华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义多晶硅2阻挡层多晶硅2多晶硅1有源区Nwell•N阱•有源区（薄氧区）•多晶硅1（Poly1）.•多晶硅2（Poly2）•多晶硅2掺杂阻挡层华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义PolyPoly1作用：1.Poly1最主要的作用是用于制造MOSFET的栅。2.Poly１还经常和Poly２一起制造PIP电容（多晶硅１－绝缘层－Poly２）。3.Poly电阻4.Poly互连在一些特殊情况下，Poly可以用作互连线。Poly做互连线最大的问题是Poly的方块电阻数量级比较大，大约在20欧姆/□；此外Poly离衬底比较近，和衬底之间的寄生电容比较大，因而通过Poly的延迟比通过金属的延迟大。Poly电容和Poly电阻我们会在后面做专门介绍。华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义Poly晶体管中栅结构的制作是流程中最关键的一步，因为它包含了最薄栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的刻蚀，而多晶硅栅的宽度通常都是整个硅片上最关键的线宽。1.栅氧化层的生长2.多晶硅淀积3.多晶硅掩膜制作4.多晶硅栅刻蚀华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义PolyP－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Nwell薄氧华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义PolyP－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Nwellpoly华侨大学电子工程系CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室版图层次定义PolyactiveNwellpolyNwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetal华侨大学电