CMOS工艺流程.版图.剖面.ppt

1CMOS工艺流程与工艺流程与MOS电路版图举例电路版图举例 1.CMOS工艺流程工艺流程1)简化简化N阱阱CMOS工艺演示工艺演示flash2)清华工艺录像：清华工艺录像：N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程3)双阱双阱CMOS集成集成电电路的工路的工艺设计艺设计4)图解双阱硅栅图解双阱硅栅CMOS制作流程制作流程2.典型典型N阱阱CMOS工艺的剖面图工艺的剖面图3.SimplifiedCMOSProcessFlow4.MOS电路版图举例电路版图举例2 1)简化简化N阱阱CMOS工艺演示工艺演示3氧化层生长氧化层生长光刻光刻1，刻刻N阱掩膜版阱掩膜版氧化层氧化层氧化层氧化层P-SUBP-SUB4曝光曝光光刻光刻1，刻刻N阱掩膜版阱掩膜版光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版5氧化层的刻蚀氧化层的刻蚀光刻光刻1，刻刻N阱掩膜版阱掩膜版6N阱注入阱注入光刻光刻1，刻刻N阱掩膜版阱掩膜版7形成形成N阱阱N阱阱P-SUBP-SUB8氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀光刻光刻2，刻有源区掩膜版，刻有源区掩膜版二氧化硅二氧化硅掩膜版掩膜版N阱阱9场氧的生长场氧的生长光刻光刻2，刻有源区掩膜版，刻有源区掩膜版二氧化硅二氧化硅氮化硅氮化硅掩膜版掩膜版N阱阱10去除氮化硅去除氮化硅光刻光刻3，刻多晶硅掩膜版，刻多晶硅掩膜版FOXN阱阱11重新生长二氧化硅（栅氧）重新生长二氧化硅（栅氧）光刻光刻3，刻多晶硅掩膜版，刻多晶硅掩膜版栅氧栅氧场氧场氧场氧场氧N阱阱12生长多晶硅生长多晶硅光刻光刻3，刻多晶硅掩膜版，刻多晶硅掩膜版多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅N阱阱13刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅光刻光刻3，刻多晶硅掩膜版，刻多晶硅掩膜版掩膜版掩膜版N阱阱14刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅光刻光刻3，刻多晶硅掩膜版，刻多晶硅掩膜版多晶硅多晶硅N阱阱15P+离子注入离子注入光刻光刻4，刻，刻P+离子注入离子注入掩膜版掩膜版掩膜版掩膜版P+N阱阱16N+离子注入离子注入光刻光刻5，刻，刻N+离子注入离子注入掩膜版掩膜版N+N阱阱17生长磷硅玻璃生长磷硅玻璃PSGPSGN阱阱18光刻接触孔光刻接触孔光刻光刻6，刻接触孔刻接触孔掩膜版掩膜版P+N+N阱阱19刻铝刻铝光刻光刻7，刻刻Al掩膜版掩膜版AlN阱阱20刻铝刻铝VDDVoVSSN阱阱21光刻光刻8，刻压焊孔刻压焊孔掩膜版掩膜版钝化层钝化层N阱阱222)清华工艺录像清华工艺录像N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程23初始氧化初始氧化24光刻光刻1，刻，刻N阱阱25N阱形成阱形成N阱阱26Si3N4淀积淀积Si3N4缓冲用缓冲用SiO2P-Si SUBN阱阱27光刻光刻2，刻有源区，场区硼离子注入，刻有源区，场区硼离子注入有源区有源区有源区有源区有源区有源区有源区有源区N阱阱28场氧场氧1N阱阱29光刻光刻3N阱阱30场氧场氧2N阱阱31栅氧化，开启电压调整栅氧化，开启电压调整栅氧化层栅氧化层栅氧化层栅氧化层N阱阱32多晶硅淀积多晶硅淀积多晶硅多晶硅栅氧化层栅氧化层N阱阱33光刻光刻4，刻，刻NMOS管硅栅，管硅栅，磷磷离子注入形成离子注入形成NMOS管管N阱阱NMOSNMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽34光刻光刻5，刻，刻PMOS管硅栅，管硅栅，硼离子注入及推进，形成硼离子注入及推进，形成PMOS管管N阱阱PMOSPMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽35磷硅玻璃淀积磷硅玻璃淀积N阱阱磷硅玻璃磷硅玻璃磷硅玻璃磷硅玻璃36光刻光刻6，刻孔、磷硅玻璃淀积回流，刻孔、磷硅玻璃淀积回流（图中有误，没刻出孔（图中有误，没刻出孔)N阱阱37蒸铝、光刻蒸铝、光刻7，刻铝、，刻铝、光刻光刻8，刻钝化孔，刻钝化孔（图中展示的是刻铝后的图形）（图中展示的是刻铝后的图形）N阱阱VoVinVSSVDDP-SUB磷注入磷注入硼注入硼注入磷硅玻璃磷硅玻璃PMOSPMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅NMOSNMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅38离子注入的应用离子注入的应用3940N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程41形成形成N阱阱初始氧化，形成缓冲层，淀积氮化硅层初始氧化，形成缓冲层，淀积氮化硅层光刻光刻1，定义出，定义出N阱阱反应离子刻蚀氮化硅层反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入，先注磷阱离子注入，先注磷31P+，后注砷，后注砷75As+3)双阱双阱CMOS集成电路的工艺设计集成电路的工艺设计 P sub.100磷磷31P+砷砷75As+42形成形成P阱阱 在在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化不会被氧化去掉光刻胶及氮化硅层去掉光刻胶及氮化硅层 P阱离子注入，注硼阱离子注入，注硼N阱阱P sub.10043推阱推阱退火驱入，双阱深度约退火驱入，双阱深度约1.8m去掉去掉N阱区的氧化层阱区的氧化层N阱阱P阱阱44形成场隔离区形成场隔离区生长一层薄氧化层生长一层薄氧化层淀积一层氮化硅淀积一层氮化硅光刻光刻2场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来反应离子刻蚀氮化硅反应离子刻蚀氮化硅场区硼离子注入以防止场开启场区硼离子注入以防止场开启热生长厚的场氧化层热生长厚的场氧化层去掉氮化硅层去掉氮化硅层45阈值电压调整注入阈值电压调整注入光刻光刻3，VTP调整注入调整注入光刻光刻4，VTN调整注入调整注入光刻胶光刻胶31P+11B+46形成多晶硅栅（栅定义）形成多晶硅栅（栅定义）生长栅氧化层生长栅氧化层 淀积多晶硅淀积多晶硅 光刻光刻5，刻蚀多晶硅栅刻蚀多晶硅栅N阱阱P阱阱47形成硅化物形成硅化物淀积氧化层淀积氧化层反应离子刻蚀氧化层，形成反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层（侧壁氧化层（spacer,sidewall）淀积难熔金属淀积难熔金属Ti或或Co等等低温退火，形成低温退火，形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi去掉氧化层上的没有发生化学反应的去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或或Co高温退火，形成低阻稳定的高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或或CoSi2CATIA 实用入门培训实用入门培训48形成形成N管源漏区管源漏区光刻光刻6，利用光刻胶将，利用光刻胶将PMOS区保护起来区保护起来离子注入磷或砷，形成离子注入磷或砷，形成N管源漏区管源漏区形成形成P管源漏区管源漏区光刻光刻7，利用光刻胶将，利用光刻胶将NMOS区保护起来区保护起来离子注入硼，形成离子注入硼，形成P管源漏区管源漏区49形成接触孔形成接触孔 化学气相淀积化学气相淀积BPTEOS硼磷硅玻璃层硼磷硅玻璃层退火和致密退火和致密光刻光刻8，接触孔版，接触孔版反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔50形成第一层金属形成第一层金属淀积金属钨淀积金属钨(W)，形成钨塞，形成钨塞51形成第一层金属形成第一层金属淀积金属层，如淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等光刻光刻9，第一层金属版，定义出连线图形，第一层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀金属层，形成互连图形反应离子刻蚀金属层，形成互连图形52形成穿通接触孔形成穿通接触孔化学气相淀积化学气相淀积PETEOS,等离子增强正硅酸四乙酯热分解等离子增强正硅酸四乙酯热分解Plasma Enhanced TEOS：tetraethylorthosilicate Si-(OC2H5)4-通过化学机械抛光进行平坦化通过化学机械抛光进行平坦化光刻穿通接触孔版光刻穿通接触孔版反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔形成第二层金属形成第二层金属淀积金属层，如淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等光刻光刻10，第二层金属版，定义出连线图形，第二层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形正硅酸乙脂（TEOS）分解65075053合金合金形成钝化层形成钝化层 在低温条件下在低温条件下(小于小于300)淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻光刻11，钝化版，钝化版 刻蚀氮化硅，形成钝化图形刻蚀氮化硅，形成钝化图形测试、封装，完成集成电路的制造工艺测试、封装，完成集成电路的制造工艺CMOS集成电路采用集成电路采用(100)晶向的硅材料晶向的硅材料544)图解双阱硅栅图解双阱硅栅CMOS制作流程制作流程55首先进行表面清洗，去除首先进行表面清洗，去除wafer表面的保护层和表面的保护层和杂质，三氧杂质，三氧化二铝必须以高速粒子撞击，并化二铝必须以高速粒子撞击，并用用化学溶液进行清洗。化学溶液进行清洗。甘油 甘油甘油56然后在表面氧化二氧化硅膜以减小后一然后在表面氧化二氧化硅膜以减小后一步氮化硅对晶圆的表面应力。步氮化硅对晶圆的表面应力。涂覆光阻涂覆光阻(完整过程包括，甩胶完整过程包括，甩胶预烘预烘曝光曝光显影显影后烘后烘腐蚀腐蚀去除光刻胶去除光刻胶)。其。其中二氧化硅以氧化形成，氮化硅中二氧化硅以氧化形成，氮化硅LPCVD沉积沉积形成形成(以氨、硅烷、乙硅烷反应生成以氨、硅烷、乙硅烷反应生成)。57光刻技术去除不想要的部分，此步骤为定出光刻技术去除不想要的部分，此步骤为定出P型型阱区域。阱区域。(所谓光刻胶就是对光或电子束敏感且耐腐所谓光刻胶就是对光或电子束敏感且耐腐蚀能力强的材料，常用的光阻液有蚀能力强的材料，常用的光阻液有S1813,AZ5214等等)。光刻胶的去除可以用臭氧烧除也可用专用剥离液。光刻胶的去除可以用臭氧烧除也可用专用剥离液。氮化硅用氮化硅用180的磷酸去除或含的磷酸去除或含CF4气体的等离子刻气体的等离子刻蚀蚀(RIE)。58在在P阱区域植入硼阱区域植入硼(+3)离子，因硅为离子，因硅为+4价，所以形成空洞，呈正电荷状态。价，所以形成空洞，呈正电荷状态。(离子离子植入时与法线成植入时与法线成7度角，以防止发生沟道效应，度角，以防止发生沟道效应，即离子不与原子碰撞而直接打入即离子不与原子碰撞而直接打入)。每次离子。每次离子植入后必须进行退火处理，以恢复晶格的完整植入后必须进行退火处理，以恢复晶格的完整性。性。(但高温也影响到已完成工序所形成的格但高温也影响到已完成工序所形成的格局局)。59LOCOS(localoxidationofsilicon)选择性氧化：选择性氧化：湿法氧化二氧化硅层，因以氮化硅为掩模会出现湿法氧化二氧化硅层，因以氮化硅为掩模会出现鸟嘴现象，鸟嘴现象，影响尺寸的控制。二氧化硅层在向影响尺寸的控制。二氧化硅层在向上生成的同时也向下移动，为膜厚的上生成的同时也向下移动，为膜厚的0.44倍，所倍，所以在去除二氧化硅层后，出现表面台阶现象。湿以在去除二氧化硅层后，出现表面台阶现象。湿法氧化快于干法氧化，因法氧化快于干法氧化，因OH基在硅中的扩散速基在硅中的扩散速度高于度高于O2。硅膜越厚所需时间越长。硅膜越厚所需时间越长。60去除氮化硅和表面二氧化硅层。露出去除氮化硅和表面二氧化硅层。露出N型阱区型阱区域。域。(上述中曝光技术光罩与基片的距上述中曝光技术光罩与基片的距离分为接触式、接近式和投影式曝光三种，常离分为接触式、接近式和投影式曝光三种，常用投影式又分为等比和微缩式。曝光会有清晰用投影式又分为等比和微缩式。曝光会有清晰度和分辩率，所以考虑到所用光线及波长、基度和分辩率，所以考虑到所用光线及波长、基片表面平坦度、套刻精度、膨胀系数等片表面平坦度、套刻精度、膨胀系数等)。61离子植入磷离子离子植入磷离子(+5)，所以出现多余，所以出现多余电子，呈现负电荷状态。电荷移动速度高于电子，呈现负电荷状态。电荷移动速度高于P型约型约0.25倍。以缓冲氢氟酸液去除二氧化硅倍。以缓冲氢氟酸液去除二氧化硅层。层。62在表面重新氧化生成二氧化硅层，在表面重新氧化生成二氧化硅层，LPCVD沉积沉积氮化硅层，以光阻定出下一步的氮化硅层，以光阻定出下一步的fieldoxide区域。区域。63在上述多晶硅层外围，氧化二氧化硅层在上述多晶硅层外围，氧化二氧化硅层以作为保护。涂布光阻，以便利用光刻技术进以作为保护。涂布光阻，以便利用光刻技术进行下一步的工序。行下一步的工序。64形成形成NMOS，以砷离子进行植入形成源漏极。，以砷离子进行植入形成源漏极。此工序在约此工序在约1000中完成，不能采用铝栅极工艺，中完成，不能采用铝栅极工艺，因铝不能耐高温，此工艺也称为自对准工艺。砷离子因铝不能耐高温，此工艺也称为自对准工艺。砷离子的植入也降低了多晶硅的电阻率的植入也降低了多晶硅的电阻率(块约为块约为30欧姆欧姆)。还。还采用在多晶硅上沉积采用在多晶硅上沉积高熔点金属材料的硅化物高熔点金属材料的硅化物(MoSi2、WSi2、TiSi2等等)，形成多层结构，形成多层结构65以类似的方法，形成以类似的方法，形成PMOS，植入硼，植入硼(+3)离子。离子。(后序中的后序中的PSG或或BPSG能很好的稳定能能很好的稳定能动钠离子，以保证动钠离子，以保证MOS电压稳定电压稳定)。66后序中的二氧化硅层皆是化学反应沉积而后序中的二氧化硅层皆是化学反应沉积而成，其中加入成，其中加入PH3形成形成PSG(phospho-silicate-glass)，加入，加入B2H6形成形成BPSG(boro-phospho-silicate-glass)以平坦表以平坦表面。所谓面。所谓PECVD(plasmaenhancedCVD)在普通在普通CVD反应空间导入电反应空间导入电浆浆(等离子等离子)，使气体活化以降低反应温度，使气体活化以降低反应温度)。6768光刻技术定出孔洞，以溅射法光刻技术定出孔洞，以溅射法或真空蒸发法，依次沉积钛或真空蒸发法，依次沉积钛+氮化氮化钛钛+铝铝+氮化钛等多层金属。氮化钛等多层金属。(其中其中还会考虑到铝的表面氧化和氯化物还会考虑到铝的表面氧化和氯化物的影响的影响)。由于铝硅固相反应，特别。由于铝硅固相反应，特别对浅的对浅的PN结难以形成漏电流结难以形成漏电流(leakcurrent)小而稳定的接触，小而稳定的接触，为此使用为此使用TiN等材料，以抑制铝硅等材料，以抑制铝硅界面反应，并有良好的欧姆，这种界面反应，并有良好的欧姆，这种材料也称为势垒金属材料也称为势垒金属(barriermetal)。69RIE刻蚀出布线格局。以类似的方法沉刻蚀出布线格局。以类似的方法沉积第二层金属，以二氧化硅绝缘层和介电层作积第二层金属，以二氧化硅绝缘层和介电层作为层间保为层间保护和平坦表面作用。护和平坦表面作用。70为满足欧姆接触要求，布线工艺是在含有为满足欧姆接触要求，布线工艺是在含有510%氢的氮气中，在氢的氮气中，在400500温度下热温度下热处理处理1530分钟分钟(也称成形也称成形forming)，以使铝，以使铝和硅合金化。最后还要定出和硅合金化。最后还要定出PAD接触窗，以便进接触窗，以便进行行bonding工作。工作。(上述形成的薄膜厚度的计上述形成的薄膜厚度的计算可采用光学衍射、倾斜研磨、四探针法等方法算可采用光学衍射、倾斜研磨、四探针法等方法测得测得)。CATIA 实用入门培训实用入门培训71722.典型典型P阱阱CMOS工艺的剖面图工艺的剖面图源源硅栅硅栅漏漏薄氧化层薄氧化层金属金属场氧化层场氧化层p-阱阱n-衬底衬底（FOX）低氧低氧CATIA 实用入门培训实用入门培训73CMOSprocessp+p+p-CATIA 实用入门培训实用入门培训74Process(Inverter)p-subP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactN-wellGND低氧低氧场氧场氧p-subp+InVDDS G DD G S图例图例CATIA 实用入门培训实用入门培训75LayoutandCross-SectionViewofInverterInTop View or LayoutCross-Section ViewP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactVDDGNDGNDOutVDDInverterInOutN-well图例图例CATIA 实用入门培训实用入门培训76Processfield oxidefield oxidefield oxideCATIA 实用入门培训实用入门培训773.Simplified CMOS Process FlowCreate n-well and active regionsGrow gate oxide(thin oxide)Deposit and pattern poly-silicon layerImplant source and drain regions,substrate contactsCreate contact windows,deposit and pattern metal layersCATIA 实用入门培训实用入门培训78N-well,ActiveRegion,GateOxideCross Sectionn-wellTop ViewS G DD G SMetalMetalMetalPolysiliconn+p+VDDVSSpMOSFETnMOSFET79Poly-siliconLayer Top ViewCross-Section80N+andP+RegionsTop ViewOhmic contactsCross-Section81SiO2UponDevice&ContactEtchingTop ViewCross-Section82MetalLayerbyMetalEvaporationTop ViewCross-Section83ACompleteCMOSInverterTop ViewCross-Section84DiffusionFETPolysilicon85Transistor-LayoutDiffusionPolysilicon86layersN-DiffusionPoly-siliconMetal 1Metal 2SiO2SiO2SiO2P-Diffusion87Via and ContactsDiffusionMetal 2SiO2SiO2PolysiliconMetal-Diff ContactMetal-Poly ContactSiO2ViaMetal 188Inverter ExampleMetal-nDiff ContactMetal-Poly ContactViaVDDGNDVDDMetal 2Metal 1 Metal-nDiff ContactGND894.MOS电路版图举例电路版图举例1)铝栅铝栅CMOS电路版图设计规则电路版图设计规则2)铝栅、硅栅铝栅、硅栅MOS器件的版图器件的版图3)铝栅工艺铝栅工艺CMOS版图举例版图举例4)硅栅工艺硅栅工艺MOS电路版图举例电路版图举例5)P阱硅阱硅栅单层铝栅单层铝布布线线CMOS集成集成电电路的工路的工艺过艺过程程6)CMOSIC版图设计技巧版图设计技巧7)CMOS反相器版图流程反相器版图流程901)铝栅铝栅CMOS电路电路版图设计规则版图设计规则91该图的说明该图的说明a沟道长度沟道长度3bGS/GD覆盖覆盖cp+，n+最小宽度最小宽度3dp+，n+最小间距最小间距3ep阱与阱与n+区间距区间距2f孔距扩散区最小间距孔距扩散区最小间距2gAl覆盖孔覆盖孔孔孔23或或33hAl栅跨越栅跨越p+环环iAl最小宽度最小宽度4jAl最小间距最小间距3p+Al1n+922)铝栅、硅栅铝栅、硅栅MOS器件的版图器件的版图硅栅硅栅MOS器件器件铝栅铝栅MOS器件器件CATIA 实用入门培训实用入门培训93vSource/Drain:Photomask(darkfield)Clear GlassChromiumCross Section铝栅铝栅MOS工艺掩膜版的说明工艺掩膜版的说明CATIA 实用入门培训实用入门培训94vGate:Photomask(darkfield)Clear GlassChromiumCross SectionCATIA 实用入门培训实用入门培训95vContacts:Photomask(darkfield)Clear GlassChromiumCross SectionCATIA 实用入门培训实用入门培训96vMetalInterconnects:Photomask(lightfield)ChromiumClear GlassCross SectionCATIA 实用入门培训实用入门培训97硅硅栅硅栅栅硅栅MOS器件器件工工艺艺的的流流程程Process(1)刻刻有有源源区区正胶正胶CATIA 实用入门培训实用入门培训98Process(2)刻多晶硅与自对准掺杂刻多晶硅与自对准掺杂Self-Align DopingCATIA 实用入门培训实用入门培训99Process(3)刻刻接接触触孔孔、反反刻铝刻铝 field oxide(FOX)metal-poly insulator thin oxideCATIA 实用入门培训实用入门培训100 3)铝栅工艺铝栅工艺CMOS反相器版图举例反相器版图举例 图2为铝栅CMOS反相器版图示意图。可见，为了防止寄生沟道以及p管、n管的相互影响，采用了保护环或隔离环：对n沟器件用p+环包围起来，p沟器件用n+环隔离开，p+、n+环都以反偏形式接到地和电源上，消除两种沟道间漏电的可能。CATIA 实用入门培训实用入门培训101图2 铝栅CMOS反相器版图示意图 版图分解：1.刻P阱2.刻P+区/保护环3.刻n+区/保护带4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔P+区保护环区保护环n+区区/保护带保护带1023版图分解：1.刻P阱 2.刻P+区/环3.刻n+区4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔 1034版图分解：1.刻P阱 2.刻P+区/环3.刻n+区4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔CATIA 实用入门培训实用入门培训104 4)硅栅硅栅MOS版图举例版图举例E/E NMOS反相器反相器 刻有源区 刻多晶硅栅刻NMOS管S、D 刻接触孔 反刻Al 图5 E/E NMOS反相器版图示意图CATIA 实用入门培训实用入门培训105E/D NMOS 反相器 刻有源区刻耗尽注入区刻多晶硅栅刻NMOS管S、D刻接触孔反刻Al 图6 E/D NMOS 反相器版图 106制备耗尽型制备耗尽型MOS管管在在MOS集成电路中，有些设计需要采集成电路中，有些设计需要采用耗尽型用耗尽型MOS管，这样在管，这样在MOS工艺过程中必工艺过程中必须加一块光刻掩膜版，其目的是使非耗尽型须加一块光刻掩膜版，其目的是使非耗尽型MOS管部分的光刻胶不易被刻蚀，然后通过管部分的光刻胶不易被刻蚀，然后通过离子注入和退火、再分布工艺，改变耗尽型离子注入和退火、再分布工艺，改变耗尽型MOS管区有源区的表面浓度，使管区有源区的表面浓度，使MOS管不需管不需要栅电压就可以开启工作。要栅电压就可以开启工作。然后采用干氧湿氧干氧的方法进行然后采用干氧湿氧干氧的方法进行场氧制备，其目的是使除有源区部分之外的硅场氧制备，其目的是使除有源区部分之外的硅表面生长一层较厚的表面生长一层较厚的SiO2层，防止寄生层，防止寄生MOS管的形成。管的形成。CATIA 实用入门培训实用入门培训107 硅栅硅栅CMOS与非门版图举例与非门版图举例 刻P阱刻p+环刻n+环刻有源区刻多晶硅栅刻PMOS管S、D刻NMOS管S、D刻接触孔反刻Al 图7 硅栅CMOS与非门版图 1088109硅栅硅栅P阱阱CMOS反相器版图设计反相器版图设计举举例例5.刻刻NMOS管管S、D6.刻接触孔刻接触孔7.反刻反刻Al(W/L)p=3(W/L)n1.刻刻P阱阱2.刻有源区刻有源区3.刻多晶硅栅刻多晶硅栅4.刻刻PMOS管管S、D1101.刻刻P阱阱2.刻有源区刻有源区3.刻多晶硅栅刻多晶硅栅1114.刻刻PMOS管管S、D5.刻刻NMOS管管S、D112VDDVoViVss7.反刻反刻Al6.刻接触孔刻接触孔VDDViVssVo113光刻光刻1与光刻与光刻2套刻套刻光刻光刻2与光刻与光刻3套刻套刻114光刻光刻3与光刻与光刻4套刻套刻光刻胶保护光刻胶保护光刻光刻4与光刻与光刻5套刻套刻光刻胶保护光刻胶保护刻刻PMOS管管S、D刻刻NMOS管管S、DDDSS115光刻光刻5与光刻与光刻6套刻套刻VDDViVssVo光刻光刻6与光刻与光刻7套刻套刻VDDViVDDVoViVssVDDViVssVo116ViVoT2 W/L=3/1T1 W/L=1/1PolyDiffAlconP阱ViVssVoVDD1175)P阱硅栅单层铝布线阱硅栅单层铝布线CMOS的工艺过程的工艺过程下面以光刻掩膜版为基准，先描下面以光刻掩膜版为基准，先描述一个述一个P阱硅栅单层铝布线阱硅栅单层铝布线CMOS集成集成电路的工艺过程的主要步骤，用以说明电路的工艺过程的主要步骤，用以说明如何在如何在CMOS工艺线上制造工艺线上制造CMOS集集成电路。成电路。（见教材第（见教材第7-9页，图页，图1.12）118CMOS集成电路工艺集成电路工艺-以以P阱硅栅阱硅栅CMOS为例为例v1、光刻、光刻I-阱区光刻，刻出阱区注入孔阱区光刻，刻出阱区注入孔N-SiSiO2119v2、阱区注入及推进，形成阱区、阱区注入及推进，形成阱区N-subP-well120v3、去除、去除SiO2，长薄氧，长长薄氧，长Si3N4N-subP-wellSi3N4薄氧薄氧121v4、光、光II-有源区光刻，刻出有源区光刻，刻出PMOS管、管、NMOS管的源、栅和漏区管的源、栅和漏区N-SiP-wellSi3N4122v5、光、光III-N管场区光刻，管场区光刻，N管场区注入孔，以管场区注入孔，以提提高场开启高场开启，减少闩锁效应及改善阱的接触。，减少闩锁效应及改善阱的接触。光刻胶N-SiP-B+123v6、长场氧，漂去、长场氧，漂去SiO2及及Si3N4，然后长栅氧。，然后长栅氧。N-SiP-124v7、光、光-p管场区光刻（用光管场区光刻（用光I的负版），的负版），p管管场区注入，场区注入，调节调节PMOS管的开启电压管的开启电压，然后生，然后生长多晶硅。长多晶硅。N-SiP-B+125v8、光、光-多晶硅光刻，形成多晶硅栅及多晶多晶硅光刻，形成多晶硅栅及多晶硅电阻硅电阻多晶硅N-SiP-126v9、光、光I-P+区光刻，刻去区光刻，刻去P管上的胶。管上的胶。P+区注入，形成区注入，形成PMOS管的源、漏区及管的源、漏区及P+保护保护环（图中没画出环（图中没画出P+保护环）。保护环）。N-SiP-B+127v10、光、光-N管场区光刻，刻去管场区光刻，刻去N管上的胶。管上的胶。N管场区注入，形成管场区注入，形成NMOS的源、漏区及的源、漏区及N+保保护环（图中没画出）。护环（图中没画出）。光刻胶N-SiP-As128v11、长、长PSG（磷硅玻璃）。（磷硅玻璃）。PSGN-SiP+P-P+N+N+129v12、光刻、光刻-引线孔光刻。引线孔光刻。PSGN-SiP+P-P+N+N+130v13、光刻、光刻-引线孔光刻（反刻引线孔光刻（反刻Al）。）。PSGN-SiP+P-P+N+N+VDDINOUTPNSDDSAl1318.7RS触发器触发器p.154 特性表实际上是一种特殊的真值表，它对触发器的描述十分具体。这种真值表的输入变量（自变量）除了数据输入外，还有触发器的初态，而输出变量（因变量）则是触发器的次态。特性方程是从特性表归纳出来的，比较简洁；状态转换图这种描述方法则很直观。？132133MR,PMR,N图例：图例：实线：扩散区，实线：扩散区，虚线：铝，虚线：铝，阴影线：多晶硅、阴影线：多晶硅、黑方块：引线孔黑方块：引线孔N阱阱CATIA 实用入门培训实用入门培训134 6)CMOS IC 版图设计技巧版图设计技巧 1、布局要合理、布局要合理（1）引引出出端端分分布布是是否否便便于于使使用用或或与与其其他他相相关关电电路路兼兼容，是否符合管壳引出线排列要求。容，是否符合管壳引出线排列要求。（2）特特殊殊要要求求的的单单元元是是否否安安排排合合理理，如如p阱阱与与p管管漏漏源源p+区区离离远远一一些些，使使 pnp，抑抑制制Latch-up，尤尤其其是是输输出级更应注意。出级更应注意。（3）布布局局是是否否紧紧凑凑，以以节节约约芯芯片片面面积积，一一般般尽尽可可能能将各单元设计成方形。将各单元设计成方形。（4）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温度分布是否合理。度分布是否合理。1352、单元配置恰当、单元配置恰当（1）芯片面积降低）芯片面积降低10%，管芯成品率，管芯成品率/圆片圆片可提高可提高15 20%。（2）多用并联形式，如或非门，少用串联形式，）多用并联形式，如或非门，少用串联形式，如与非门。如与非门。（3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨导管采）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨导管采用条状图形，使图形排列尽可能规整。用条状图形，使图形排列尽可能规整。CATIA 实用入门培训实用入门培训136 3、布线合理、布线合理 布线面积往往为其电路元器件总面积的几倍，在多层布线中尤为突出。扩散条/多晶硅互连多为垂直方向，金属连线为水平方向，电源地线采用金属线，与其他金属线平行。长连线选用金属。多晶硅穿过Al线下面时，长度尽可能短，以降低寄生电容。注意VDD、VSS布线，连线要有适当的宽度。容易引起“串扰”的布线（主要为传送不同信号的连线），一定要远离，不可靠拢平行排列。CATIA 实用入门培训实用入门培训137 4、CMOS电路版图设计对布线和接触孔的电路版图设计对布线和接触孔的特殊要求特殊要求（1）为抑制Latch up，要特别注意合理布置电源接触孔和VDD引线，减小横向电流密度和横向电阻RS、RW。采用接衬底的环行VDD布线。增多VDD、VSS接触孔，加大接触面积，增加连线牢固性。对每一个VDD孔，在相邻阱中配以对应的VSS接触孔，以增加并行电流通路。尽量使VDD、VSS接触孔的长边相互平行。接VDD的孔尽可能离阱近一些。接VSS的孔尽可能安排在阱的所有边上（P阱）。CATIA 实用入门培训实用入门培训138（2）尽量不要使多晶硅位于）尽量不要使多晶硅位于p+区域上区域上多晶硅大多用n+掺杂，以获得较低的电阻率。若多晶硅位于p+区域，在进行p+掺杂时多晶硅已存在，同时对其也进行了掺杂导致杂质补偿，使多晶硅。（3）金属间距应留得较大一些（）金属间距应留得较大一些（3 或或4）因为，金属对光得反射能力强，使得光刻时难以精确分辨金属边缘。应适当留以裕量。1395、双层金属布线时的优化方案、双层金属布线时的优化方案（1）全局电源线、地线和时钟线用第二层金）全局电源线、地线和时钟线用第二层金属线。属线。（2）电源支线和信号线用第一层金属线（两）电源支线和信号线用第一层金属线（两层金属之间用通孔连接）。层金属之间用通孔连接）。（3）尽可能使两层金属互相垂直，减小交叠）尽可能使两层金属互相垂直，减小交叠部分得面积。部分得面积。1407)CMOS反相器反相器版图流程版图流程CATIA 实用入门培训实用入门培训141N wellP well CMOS反相器版图流程反相器版图流程(1)1.阱阱做做N阱和阱和P阱封闭图形，阱封闭图形，窗口注入形成窗口注入形成P管和管和N管的衬底管的衬底CATIA 实用入门培训实用入门培训142N diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2.有源区有源区做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、D、S、B区区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层CATIA 实用入门培训实用入门培训143P diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2.有源区有源区做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、D、S、B区区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层CATIA 实用入门培训实用入门培训144Poly gate CMOS反相器版图流程反相器版图流程(3)3.多晶硅多晶硅做硅栅和多晶硅连线。做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅封闭图形处，保留多晶硅 CATIA 实用入门培训实用入门培训145N+implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4.有源区注入有源区注入P+，N+区（区（select)。CATIA 实用入门培训实用入门培训146P+implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4.有源区注入有源区注入P+、N+区（区（select)。CATIA 实用入门培训实用入门培训147contact CMOS反相器版图流程反相器版图流程(5)5.接触孔接触孔多晶硅，注入区和金属线多晶硅，注入区和金属线1接触端子。接触端子。CATIA 实用入门培训实用入门培训148Metal 1 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(6)6.金属线金属线1做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝CATIA 实用入门培训实用入门培训149via CMOS反相器版图流程反相器版图流程(7)7.通孔通孔两层金属连线之间连接的端子两层金属连线之间连接的端子CATIA 实用入门培训实用入门培训150Metal 2 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(8)8.金属线金属线2做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝CATIA 实用入门培训实用入门培训151VDDGNDVDDGNDinverter：Schematic:Layout:inputoutputm1m2m2m11521.阱阱做做N阱和阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成阱封闭图形处，窗口注入形成P管和管和N管的衬底管的衬底2.有源区有源区做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、D、S、B区区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层氧化层3.多晶硅多晶硅做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅保留多晶硅4.有源区注入有源区注入P+、N+区（区（select)。做源漏。做源漏及阱或衬底连接区的注入及阱或衬底连接区的注入5.接触孔接触孔多晶硅，注入区和金属线多晶硅，注入区和金属线1接触端子。接触端子。6.金属线金属线1做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝7.通孔通孔两层金属连线之间连接的端子两层金属连线之间连接的端子8.金属线金属线2做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝硅栅硅栅CMOS 版图和工艺的关系版图和工艺的关系1531.有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，金属和多晶连线多做在场区上。金属和多晶连线多做在场区上。2.有源区和有源区和P+,N+注入区的关系：有源区即无场注入区的关系：有源区即无场氧化层，在这区域中可做氧化层，在这区域中可做N型和型和P型各种晶体管，型各种晶体管，此区一次形成。此区一次形成。3.至于以后何处是至于以后何处是NMOS晶体管，何处是晶体管，何处是PMOS晶体管，要由晶体管，要由P+注入区和注入区和N+注入区那次光刻决定。注入区那次光刻决定。4.有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和P+注注入区交集处即形成入区交集处即形成P+有源区，有源区，P+注入区比所交有注入区比所交有源区要大些。源区要大些。须解释的问题：须解释的问题：1545.有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和N+注入区交集处即形成注入区交集处即形成N+有源区，有源区，N+注入区比注入区比所交有源区要大些。所交有源区要大些。6.两层半布线两层半布线金属，多晶硅可做连线，