版图设计与工艺
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SiO2
36
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
37
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
active
poly
N+ implant
38
场氧
MASK N+
光刻胶 场氧
poly
设计与测试技术
在电路设计中更重视系统设计、IP的开发与复用、软硬件协同设计、 先进设计语言的推广、设计流程与工具的开发、SOC设计平台的开发、 低功耗设计、可测性设计、可靠性设计等。
组装和封装技术
12
练习及思考:
当前，微电子芯片技术和其它领域技术相 结合的典型成功范例主要在哪两大领域？ （2分）
7
集成系统芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术： 软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的
功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重 要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势； IP模块库：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固 核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺 相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使 用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM 和Flash Memory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中 尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度 与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值；
57
孔 金属 多晶
58
59
60
61
62
63
64
65
66
3. CMOS设计规则
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
(5分）版图设计，工艺非常重要，请简要说 明与工艺密切相关、设计人员必须了解的 一些工艺参数。
77
请简要说明CIF，EDIF，GDSⅡ的意义及用 途。
什么是SOC? 其三个关键支撑技术是什么? 什么是摩尔定理? 你认为摩尔定理是否永
远有效? 当前微细加工的技术发展趋势是什么?
13
2. CMOS工艺和版图
14
15
16
17
CMOS
• CMOS：Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor
metal
metal
metal
场氧
场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
48
版图识别
VDD
S
D
P+
P+
N-Si
VG
Vo
D n+
S
VSS
n+
P-阱
CMOS倒相器截面图
VDD Vi
PMOS
Vo
NMOS
VSS CMOS倒相器
CMOS倒相器版图
49
基本原则: • 首先确定较简单的, 较容易确定的图形 • 再根据已确定的图形 和未确定图形的逻辑关 系, 确定其余的图形.
pwell
active
poly
41
光 MASK N+
场氧
光刻胶 场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
N－type Si
S/D
SiO2
42
P+ implant
场氧
光刻胶 场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
43
场氧
场氧
poly
PPwweellll
模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联 逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等
8
微电子与其它学科结合，带动一系列交叉 学科及相关技术和产业的发展 .
由于微细加工不断成熟和应用领域不断扩大，带 动一系列交叉学科及其有关技术的发展，例如微 电子机械系统(MEMS)、微光电系统(MOES)、 DNA芯片、二元光学、化学分析芯片以及作为电 子科学和生物科学结合的产物——生物芯片的研 究开发等都将取得明显进展。
pwell
P+ impant
active
poly
N+ implant
20
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
21
光 MASK Pwell 光刻胶 SiO2 N－type Si
22
光刻胶
MASK Pwell SiO2
设计: 布图 布线
4
硅集成电路的技术现状和发展
现今，世界IC特征线宽，批量生产的已达到0．18-0．13μm，芯片的集成度达到 108-109量级，研究成果已提高到0．1μm技术。预计到2006年，单片系统集成芯 片将达到如下指标：最小特征尺寸0．09μm、芯片集成度达2亿个晶体管、芯片 面积520mm2、7-8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0．9-1．2V、工作频率 2-2．5GHz，功率160瓦。到2010年，将提高到0．07μm的水平。而硅IC晶片直 径尺寸，2000年-2005年将从200mm转向300mm，2006-2010年又将转向400mm。 单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况列于表1。
50
接触孔 接触孔一般: • 是最小, 外面有图形包围
• 是矩形 • 用于金属和硅的连接 • 用于金属和多晶连接
51
金属(metal): 接触孔外面第一层一般是金属
多晶(poly) 多晶一般和金属图形特点类似, 但一般较短.
器件 多晶跨过 许多同心 矩形图形, 一般就是 器件
52
PMOS
NMOS 对于标准的 Pwell CMOS工艺 而言, NMOS外会多出一个图 形:pwell
9
其技术突破的关键点有以下几个方面
纳米级光刻及微细加工技术
器件特征尺寸的缩小，取决于曝光技术的进步，在0．07μm阶段，曝 光技术还是一个问题，预计再有1—2年左右时间可获突破。在65nm 以下是采用Extra UV还是采用电子束的步进光刻机，还正在研究之中。 为适应技术的发展，极限紫外线、X射线、准分子激光等超微细图形 曝光技术等将成为今后几年主要的工艺技术而获得更广泛的应用，先 进的集群式全自动智能化综合加工系统将成为新一代的IC制造设备。
光刻胶
Si3N4
SiO2
Pwell
N－type Si
SiO2
27
MASK Active
MASK active
光刻胶
光刻胶 Si3N4
SiO2
Pwell
N－type Si
SiO2
28
光刻胶
光刻胶 Si3N4
Pwell
SiO2
N－type Si
SiO2
29
场氧
场氧
Si3N4
PPwweellll
N－type Si
场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
46
omicontact
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
metal pwell
active
poly
N+ implant
47
MASK metal
版图设计与工艺
方健 微电子与固体电子学院
2005年7月
1
内容提纲
微电子技术发展动态 CMOS工艺和版图 CMOS设计规则 版图验证 布局布线算法
2
1.微电子技术发展动态
3
人们对集成电路的要求
规模
1/功耗
速度
器件: 尺寸减小 新结构器件 新材料 新原理器件
工艺: 工艺精度 工艺兼容 成品率控制
53
有源区
54
PSD Pimplant NSD Nimplant
55
P管场注 P管沟阻
N管场注 N管沟阻
Pwell
56
例1
如图所示一个P阱CMOS 电路版图。图上仅画出P 阱，多晶硅，扩散区，P 注入区，孔及金属区等6 层。请由此版图：（1）提 取出以晶体管及其连线表 示的电路原理图。（2） 指出各管子的宽长比。 （3）你能否猜出这个版 图是作什么用的？（4） 图上许多地方均开了一排 排的孔，这是干什么用的？ （只须一句话讲出就可以） （16分）
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
44
omicontact
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
P+ impant
pwell
active
poly
N+ implant
45
MASK Omicontact
场氧
6
系统集成芯片(SOC)
沿着上述持续缩小尺寸途径发展、随着集成方法学和微细 加工技术的持续成熟，应用领域的不断扩大，因此，不同 类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统 (Embedded System)和片上系统(System on Chip即SOC)技 术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅 知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起， 可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅 芯片上，完成信息加工与处理的功能。
90
（4分）在亚微米设计中，电子迁移是由＿ ＿＿＿＿造成的。它使连线变细，最终断 开，引起器件失效。
（4分）对付寄生参数，经常采用的方法有： ①使用导电性能好的＿＿＿＿＿来代替A1； ②使用＿＿＿＿＿介电常数的材料来减小 电容；③降低＿＿＿＿＿以减少晶格散射 和电子空穴的离散活动；④规划＿＿＿＿ ＿层数。
互补对称金属氧化物半导体－特点：低功耗
VDD
C
PMOS
Vi
Vo
I/O
NMOS
VDD I/O
VSS
VSS CMOS倒相器
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CMOS传输门
18
VDD
S
D
P+
P+
N-Si
VG
Vo
D n+
S
VSS
n+
P-阱
CMOS倒相器截面图
CMOS倒相器版图
19
omicontact
A NMOS Example
metal
10
铜互连技术
铜互连技术已在0．18μm和0．13μm技术代中使用，但是 在0．10μm以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用 时的可靠性问题还有待研究开发。
11
20nm以下浅结与掺杂工程技术
亚50纳米半导体器件的器件模型和新型器件结构
工艺集成技术
为了在一块芯片上实现完整的系统，需要各种兼容技术。包括常规 CMOS 数字电路与存储器(如RRPROM、Flash memory、DRAM等) 的兼容技术；CMOS与双极的兼容技术；高压与低压兼容技术、数字 与模拟兼容技术、高频与低频兼容技术等。
poly
33
场氧
MASK poly
场氧
光刻胶 poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
34
场氧
MASK poly
场氧 PPwweellll
光刻胶 poly
场氧 SiO2
N－type Si
SiO2
35
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
场氧 SiO2
SiO2
30
场氧
场氧 PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
31
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
32
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
active
光刻胶
N－type Si
23
光刻胶 SiO2
N－type Si
光刻胶 SiO2
24
SiO2
Pwell N－type Si
SiO2
25
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
active
pwell
26
MASK Active
MASK active
5
器件的特征尺寸不断缩小
自1965年提出摩尔定律近40年来，集成电路持续地按此定 律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。 每2-3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结 果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，促 进其它工艺参数的提高。预计未来10-15年摩尔定律仍将是 集成电路发展所遵循的一条定律，按此规律，在21世纪初 集成电路的基本单元CMOS器件将从亚半微米进入纳米时 代(即器件的栅长小于100nm，2010年后将小于50nm)。
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
39
N+ implant
场氧
光刻胶 场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
N－type Si
S/D
SiO2
40
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
P+ impant
78
79
超大规模集成电路布图理论与算法, p32
80
相关的一些简单问题
寄生效应 互联问题 电阻计算 电容计算
81
寄生效应
82
83
互联问题
84
85
86
电阻计算
87
88
电容计算
89
以P阱CMOS电路结构为例，画出形成 Latch-up效应的NPN及PNP晶体管，并说 明形成Latch-up效应的原理。（10分）
36
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
37
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
active
poly
N+ implant
38
场氧
MASK N+
光刻胶 场氧
poly
设计与测试技术
在电路设计中更重视系统设计、IP的开发与复用、软硬件协同设计、 先进设计语言的推广、设计流程与工具的开发、SOC设计平台的开发、 低功耗设计、可测性设计、可靠性设计等。
组装和封装技术
12
练习及思考:
当前，微电子芯片技术和其它领域技术相 结合的典型成功范例主要在哪两大领域？ （2分）
7
集成系统芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术： 软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的
功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重 要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势； IP模块库：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固 核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺 相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使 用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM 和Flash Memory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中 尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度 与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值；
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孔 金属 多晶
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60
61
62
63
64
65
66
3. CMOS设计规则
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
(5分）版图设计，工艺非常重要，请简要说 明与工艺密切相关、设计人员必须了解的 一些工艺参数。
77
请简要说明CIF，EDIF，GDSⅡ的意义及用 途。
什么是SOC? 其三个关键支撑技术是什么? 什么是摩尔定理? 你认为摩尔定理是否永
远有效? 当前微细加工的技术发展趋势是什么?
13
2. CMOS工艺和版图
14
15
16
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CMOS
• CMOS：Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor
metal
metal
metal
场氧
场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
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版图识别
VDD
S
D
P+
P+
N-Si
VG
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D n+
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VSS
n+
P-阱
CMOS倒相器截面图
VDD Vi
PMOS
Vo
NMOS
VSS CMOS倒相器
CMOS倒相器版图
49
基本原则: • 首先确定较简单的, 较容易确定的图形 • 再根据已确定的图形 和未确定图形的逻辑关 系, 确定其余的图形.
pwell
active
poly
41
光 MASK N+
场氧
光刻胶 场氧
poly
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场氧 SiO2
N－type Si
S/D
SiO2
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P+ implant
场氧
光刻胶 场氧
poly
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场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
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场氧
场氧
poly
PPwweellll
模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联 逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等
8
微电子与其它学科结合，带动一系列交叉 学科及相关技术和产业的发展 .
由于微细加工不断成熟和应用领域不断扩大，带 动一系列交叉学科及其有关技术的发展，例如微 电子机械系统(MEMS)、微光电系统(MOES)、 DNA芯片、二元光学、化学分析芯片以及作为电 子科学和生物科学结合的产物——生物芯片的研 究开发等都将取得明显进展。
pwell
P+ impant
active
poly
N+ implant
20
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
21
光 MASK Pwell 光刻胶 SiO2 N－type Si
22
光刻胶
MASK Pwell SiO2
设计: 布图 布线
4
硅集成电路的技术现状和发展
现今，世界IC特征线宽，批量生产的已达到0．18-0．13μm，芯片的集成度达到 108-109量级，研究成果已提高到0．1μm技术。预计到2006年，单片系统集成芯 片将达到如下指标：最小特征尺寸0．09μm、芯片集成度达2亿个晶体管、芯片 面积520mm2、7-8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0．9-1．2V、工作频率 2-2．5GHz，功率160瓦。到2010年，将提高到0．07μm的水平。而硅IC晶片直 径尺寸，2000年-2005年将从200mm转向300mm，2006-2010年又将转向400mm。 单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况列于表1。
50
接触孔 接触孔一般: • 是最小, 外面有图形包围
• 是矩形 • 用于金属和硅的连接 • 用于金属和多晶连接
51
金属(metal): 接触孔外面第一层一般是金属
多晶(poly) 多晶一般和金属图形特点类似, 但一般较短.
器件 多晶跨过 许多同心 矩形图形, 一般就是 器件
52
PMOS
NMOS 对于标准的 Pwell CMOS工艺 而言, NMOS外会多出一个图 形:pwell
9
其技术突破的关键点有以下几个方面
纳米级光刻及微细加工技术
器件特征尺寸的缩小，取决于曝光技术的进步，在0．07μm阶段，曝 光技术还是一个问题，预计再有1—2年左右时间可获突破。在65nm 以下是采用Extra UV还是采用电子束的步进光刻机，还正在研究之中。 为适应技术的发展，极限紫外线、X射线、准分子激光等超微细图形 曝光技术等将成为今后几年主要的工艺技术而获得更广泛的应用，先 进的集群式全自动智能化综合加工系统将成为新一代的IC制造设备。
光刻胶
Si3N4
SiO2
Pwell
N－type Si
SiO2
27
MASK Active
MASK active
光刻胶
光刻胶 Si3N4
SiO2
Pwell
N－type Si
SiO2
28
光刻胶
光刻胶 Si3N4
Pwell
SiO2
N－type Si
SiO2
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场氧
场氧
Si3N4
PPwweellll
N－type Si
场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
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omicontact
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
metal pwell
active
poly
N+ implant
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MASK metal
版图设计与工艺
方健 微电子与固体电子学院
2005年7月
1
内容提纲
微电子技术发展动态 CMOS工艺和版图 CMOS设计规则 版图验证 布局布线算法
2
1.微电子技术发展动态
3
人们对集成电路的要求
规模
1/功耗
速度
器件: 尺寸减小 新结构器件 新材料 新原理器件
工艺: 工艺精度 工艺兼容 成品率控制
53
有源区
54
PSD Pimplant NSD Nimplant
55
P管场注 P管沟阻
N管场注 N管沟阻
Pwell
56
例1
如图所示一个P阱CMOS 电路版图。图上仅画出P 阱，多晶硅，扩散区，P 注入区，孔及金属区等6 层。请由此版图：（1）提 取出以晶体管及其连线表 示的电路原理图。（2） 指出各管子的宽长比。 （3）你能否猜出这个版 图是作什么用的？（4） 图上许多地方均开了一排 排的孔，这是干什么用的？ （只须一句话讲出就可以） （16分）
场氧 SiO2
P+ 接触
N－type Si
S/D
SiO2
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omicontact
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
P+ impant
pwell
active
poly
N+ implant
45
MASK Omicontact
场氧
6
系统集成芯片(SOC)
沿着上述持续缩小尺寸途径发展、随着集成方法学和微细 加工技术的持续成熟，应用领域的不断扩大，因此，不同 类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统 (Embedded System)和片上系统(System on Chip即SOC)技 术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅 知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起， 可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅 芯片上，完成信息加工与处理的功能。
90
（4分）在亚微米设计中，电子迁移是由＿ ＿＿＿＿造成的。它使连线变细，最终断 开，引起器件失效。
（4分）对付寄生参数，经常采用的方法有： ①使用导电性能好的＿＿＿＿＿来代替A1； ②使用＿＿＿＿＿介电常数的材料来减小 电容；③降低＿＿＿＿＿以减少晶格散射 和电子空穴的离散活动；④规划＿＿＿＿ ＿层数。
互补对称金属氧化物半导体－特点：低功耗
VDD
C
PMOS
Vi
Vo
I/O
NMOS
VDD I/O
VSS
VSS CMOS倒相器
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CMOS传输门
18
VDD
S
D
P+
P+
N-Si
VG
Vo
D n+
S
VSS
n+
P-阱
CMOS倒相器截面图
CMOS倒相器版图
19
omicontact
A NMOS Example
metal
10
铜互连技术
铜互连技术已在0．18μm和0．13μm技术代中使用，但是 在0．10μm以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用 时的可靠性问题还有待研究开发。
11
20nm以下浅结与掺杂工程技术
亚50纳米半导体器件的器件模型和新型器件结构
工艺集成技术
为了在一块芯片上实现完整的系统，需要各种兼容技术。包括常规 CMOS 数字电路与存储器(如RRPROM、Flash memory、DRAM等) 的兼容技术；CMOS与双极的兼容技术；高压与低压兼容技术、数字 与模拟兼容技术、高频与低频兼容技术等。
poly
33
场氧
MASK poly
场氧
光刻胶 poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
34
场氧
MASK poly
场氧 PPwweellll
光刻胶 poly
场氧 SiO2
N－type Si
SiO2
35
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
场氧 SiO2
SiO2
30
场氧
场氧 PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
31
场氧
场氧
poly
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
32
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
pwell
active
光刻胶
N－type Si
23
光刻胶 SiO2
N－type Si
光刻胶 SiO2
24
SiO2
Pwell N－type Si
SiO2
25
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
active
pwell
26
MASK Active
MASK active
5
器件的特征尺寸不断缩小
自1965年提出摩尔定律近40年来，集成电路持续地按此定 律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。 每2-3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结 果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，促 进其它工艺参数的提高。预计未来10-15年摩尔定律仍将是 集成电路发展所遵循的一条定律，按此规律，在21世纪初 集成电路的基本单元CMOS器件将从亚半微米进入纳米时 代(即器件的栅长小于100nm，2010年后将小于50nm)。
PPwweellll
N－type Si
场氧 SiO2
SiO2
39
N+ implant
场氧
光刻胶 场氧
poly
PPwweellll
场氧 SiO2
N－type Si
S/D
SiO2
40
Pwell Active Poly N+ implant P+ impant Omicontact Metal
P+ impant
78
79
超大规模集成电路布图理论与算法, p32
80
相关的一些简单问题
寄生效应 互联问题 电阻计算 电容计算
81
寄生效应
82
83
互联问题
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85
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电阻计算
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电容计算
89
以P阱CMOS电路结构为例，画出形成 Latch-up效应的NPN及PNP晶体管，并说 明形成Latch-up效应的原理。（10分）