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1、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：莫冰,Email：,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,参考文献1.Alan Hastings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.Jacobs Baker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.Michael Quirk 著.韩郑生 译.半导体制造技术.第一版.电子工业出版社.CH4、CH94.CSMC 0.5um DPTM Mixed Signal Techno
2、logyTechnology Topological Design Rule,Copyright by Mo Bing,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,Copyright by Mo Bing,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Layout,TOTBPTBCPSNDPD,1.有源区2.N阱3.场注入4.正常Vth沟道注入5.低Vth NMOS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-LVNLVPVDNVDP,Copyright b
3、y Mo Bing,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Layout,9.纵向NPN 基区注入10.多晶硅11.N型源/漏12.P型源/漏13.ROM14.Poly2阻挡层15.Poly216.接触孔,P-basePoly1N+P+ROMHigh ResPoly2Contact,BAGTSNSPROIMPCW1,Copyright by Mo Bing,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Layout,17.金属118.M1和M2接触孔19.金属220.M2和M3接触孔21.金属322.焊盘PAD,Metal1VIA1Metal2VIA2Metal3PAD,A1
4、W1A2W3A3CP,Copyright by Mo Bing,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,Nwell有源区多晶硅1多晶硅2多晶硅2阻挡层,N,N阱阱 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,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。,源p+,源n+,漏n+,漏p+,栅,栅,n阱,p衬底nmos华侨大学厦门专用集
5、成电路系统重点实验室,p衬底pmosCopyright by Mo Bing,NWell,Copyright by Mo Bing,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,Copyright by Mo Bing,华侨
6、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,Copyright by Mo Bing,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,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专
7、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,曝光区衬底,NWell,Copyright by Mo Bing,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,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,Copyright by Mo Bing,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
8、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,NWellNwellCopyright by Mo Bing,版图层次定义NwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetal华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Copyright by Mo Bing,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,NWell,光MASK Nwell光刻胶SiO2Ptype Si,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,NWe
9、ll,版图层次定义光刻胶,光刻胶,MASK NwellSiO2Ptype Si,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,NWell,Ptype Si,版图层次定义光刻胶SiO2,光刻胶SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,NWell,版图层次定义SiO2,SiO2,NwellPtype Si,Copyright by Mo Bing,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,Nwell有源区多晶硅1多晶硅2多晶硅2阻挡层,N阱 有源区（薄氧区）多晶硅1（Poly1）.多晶硅2（Poly2
10、）多晶硅2掺杂阻挡层,Copyright by Mo Bing,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）。,有源区NwellCopyright by Mo Bing,版图层次定义PwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetalactive华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Copyr
11、ight by Mo Bing,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,SiO2,NwellSiO2Ptype Si,Si3N4,有源区生长薄氧氮化硅用于应力释放,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,有源区,SiO2,NwellSiO2Ptype Si,光刻胶,MASK active,版图层次定义MASK Active,Si3N4,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,有源区,SiO2,NwellSiO2Ptype Si,MASK active光刻胶,版图层次定义MASK Active光刻胶
12、,Si3N4,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,有源区,SiO2,NwellSiO2Ptype Si,光刻胶,版图层次定义光刻胶,Si3N4,SiO2,Copyright by Mo Bing,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,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,Si3N4,有源区封闭图形外形成LOCOS,SiO2,Nwell,Nwell,Copyright by Mo Bing,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,PwellPtype Si,场氧,场氧,场氧,有源区,SiO2,Copyri
13、ght by Mo Bing,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,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,薄氧,有源区封闭图形内形成薄氧,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,有源区,版图层次定义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）。,FOX,FOX,FOX,FOX,LOC
14、OS,LOCOS,Copyright by Mo Bing,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,Nwell有源区多晶硅1多晶硅2多晶硅2阻挡层,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,Copyright by Mo Bing,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,Poly1作用：1.Poly1最主要的作用是用于制造MOSFET的栅。2.Poly还经常和Poly一起制造PIP电容（多晶硅绝缘层Poly）。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
15、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。,Copyright by Mo Bing,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,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实
16、验室,版图层次定义,Poly,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,薄氧,SiO2,Copyright by Mo Bing,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,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,poly,PolyNwellCopyright by Mo Bing,poly,版图层次定义NwellActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetalactive华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,版图层次定
17、义,Poly,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,poly,MASK poly光刻胶,SiO2,Copyright by Mo Bing,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,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,MASK poly光刻胶,poly,SiO2,Copyright by Mo Bing,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,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,poly,SiO2,Copyright by Mo Bing,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,Po
18、ly,PwellSiO2Ptype Si,场氧,场氧,场氧,poly,Copyright by Mo Bing,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,1.Poly跨过有源区时，源、漏和沟道自对准于栅，这也称为自对准工艺。2.在不制作器件时，禁止多晶跨过有源区，避免产生寄生器件。3.多晶在形成器件时，需要超过有源区一定距离，保证源漏不会发生短路.,Copyright by Mo Bing,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+/N+CON金属通孔,P+/N+扩散区 接触孔金属层(Metal)通孔（VIA）,Copyright by Mo Bing,华
19、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+/N+扩散区,有源区的掩膜板主要用于打开离子注入的窗口。而P+和N+扩散区的作用在于实现离子的注入，从而控制硅的掺杂类型。前面完成的多晶硅栅可以作为NMOS和PMOS的源/漏的自对准掩膜，注入可以按照任意顺序进行，可以先进行N型源漏的注入，也可以先进行P型源漏的注入（具体顺序视工艺线情况）。,Copyright by Mo Bing,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+/N+扩散区,P+和N+的作用1.NMOS和PMOS的源/漏区2.金属1和N阱（N+扩散区）或P衬底（P+扩散区）的接触3.N+电阻或P+电阻4.二极
20、管N区（N+扩散区）或P区（P+扩散区）5.寄生PNP管N区（N+扩散区）或P区（P+扩散区）6.Guarding（保护环）,Copyright by Mo Bing,active华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,P+/N+扩散区Nwell,poly,版图层次定义PwellActive,PolyP+implantN+impantOmicontactMetalP+implant,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,PwellSiO2Ptype Si,MASK P+,场氧,场氧,场氧,poly,版图层次定义光刻胶,P+/N+扩散区,Si
21、O2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,PwellSiO2Ptype Si,MASK P+,场氧,场氧,场氧,poly,版图层次定义光刻胶,P+/N+扩散区,SiO2,Copyright by Mo Bing,P+/N+扩散区,Ptype Si华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,PwellSiO2,场氧,场氧,场氧,版图层次定义光刻胶,poly,P+implant,S/D,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,active,P+/N+扩散区Nwell,poly,N+impant,版图层次定义Nwel
22、lActivePolyP+implantN+impantOmicontactMetal,SiO2,Copyright by Mo Bing,Ptype Si华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,PwellSiO2,场氧,场氧,场氧,poly,光P+/N+扩散区MASK N+光刻胶,S/D,SiO2,Copyright by Mo Bing,Ptype Si华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,PwellSiO2,场氧,场氧,场氧,poly,光P+/N+扩散区MASK N+光刻胶,S/D,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,P+/N+扩
23、散区,Ptype Si,Pwell,SiO2,场氧,场氧,场氧,S/D,poly,版图层次定义N+implant光刻胶,N+接触,Copyright by Mo Bing,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,Contact,接触形成的工艺的目的是在所有的硅的有源区和Poly形成金属接触，这层金属接触可以使硅和随后淀积的金属导电材料更加紧密的结合。,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,active,ContactNwell,poly,N+impant,omicontactNwellActive,PolyP+implantN+impa
24、ntOmicontactMetalP+implant,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Contact,Ptype Si,Pwell,SiO2,版图层次定义MASK,Omicontact,场氧,场氧,场氧,poly,S/D,N+接触,Copyright by Mo Bing,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+/N+CON金属通孔,P+/N+扩散区 接触孔金属层(Metal)通孔（VIA）,Copyright by Mo Bing,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,Metal,接触孔硅化后，在晶
25、圆上淀积掺铜的铝层，淀积金属后的晶圆涂上光刻胶并采用金属掩膜版光刻，去除不需要的金属，形成互连结构。现代工艺中一般包含多层金属：,Copyright by Mo Bing,active华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,MetalNwell,poly,metal,omicontactNwellActive,PolyP+implantN+impantOmicontactMetalP+implant,SiO2,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Metal,Ptype Si,Pwell,SiO2,场氧,场氧,场氧,poly,S/D,N+接触,met
26、al,metal,metal,版图层次定义MASK metal,Copyright by Mo Bing,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+/N+CON金属通孔,P+/N+扩散区 接触孔金属层(Metal)通孔（VIA）,Copyright by Mo Bing,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,通孔VIA,层间介质充当各层金属以及第一层金属与硅之间的介质材料。层间介质上有许多小的通孔，这些层间介质为相邻的金属层之间提供了电学通道。通孔中常用导电金属（比如钨）来填充，形成金属层间的电学通路。,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用
27、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,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,版图设计规则,设计规则,CSMC 0.5um Double Poly Triple Metal Mixed SignalTechnology Topological Design RuleProcess information,Process Name:,6S05DPTM(T)SDXXXX(have P-plug photo layer),6S05DPTM(T)ADXXXX(not have P-plug photo la
28、yer)Technology:0.5umNumber of Poly Layers:2Number of Metal Layers:3Process Description:Generic 0.5um Si Gate CMOS Twin Well Double PolyTriple Metal Mixed Signal ProcessPoly Gate Type:Polycide Gate(Poly1)Voltage Type:35V,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,NWELL光刻胶Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学
29、厦门专用集成电路系统重点实验室,P+,N+,NWELL,b,c,d,N+ea,gf,版图设计规则P+hc,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,有源区（TO）Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,P+,N+,N+,P+,有源区（TO）,C.1,版图设计规则C.2P+a,a,C.4P+C.2,N+C.3C.1,b.2,b.1N+,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Poly1Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路
30、系统重点实验室,Poly1,版图设计规则e,e,f,g,b,d,b,c,g,b,a,Copyright by Mo Bing,版图设计规则,TO,IM,IM,IM,POLY2,Poly2阻挡层,d,cPOLY2,gPOLY1华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,a,b,f,e,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,Poly2,版图设计规则c,i,g/h,b,a,e,d,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,P+扩散区Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验
31、室,版图设计规则,N+扩散区,使用TO和P+的反版，两层光刻胶开出N+有源窗口,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,P+扩散区,d,ce,版图设计规则baf,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,接触孔Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,版图设计规则,PO2PO1,Contact,b,c,f,a,i,d,TOi,PO2e,e,a,j,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,金属层1Copyright by Mo Bing,Copyrig
32、ht by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,金属层1,注意：1.M1的电流密度 1.5mA/um2.M2/M3的电流密度 0.8mA/um3.金属覆盖率在30%50%4.最小孤立金属面积 1.1um X1.1um,b,b,版图设计规则ac,c,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,通孔Copyright by Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,a,版图设计规则bd,c,通孔注意：通孔最大电流密度1.5mA/孔,版图设计规则华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,金属层2Copyright by
33、 Mo Bing,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,版图设计规则,金属层2,b,b,a,c,c,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,版图设计规则数字集成电路版图设计中主要考虑的是保证单元能放在一起的过于细小的细节，而模拟电路中情况就不一样了，面积在某种程度上仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题，在模拟版图中主要的目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能、匹配程度、速度和各种功能方面的问题，电路的性能比尺寸更重要。,Copyright by Mo Bing,华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室,本章重点内容1.标准CMOS工艺中每层版图在工艺制造中的作用2.金属层和通孔的电流密度承受能力3.标准CMOS工艺制造反相器的流程，以及与之对应的版图4.器件剖面图和对应版图之间的关系,
