版图设计规则

SiO2
版图层次定义
有源区
光刻胶
光刻胶 Si3N4
Nwell
SiO2
P－type Si
SiO2
版图层次定义
有源区 封闭图形外形成LOCOS
场氧
场氧
Si3N4
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
有源区
场氧
场氧 PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
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）。
版图层次定义
Pwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
active
有源区
Nwell
版图层次定义
有源区
生长薄氧氮化硅用于应力释放
Poly
场氧
场氧 PNwweellll
薄氧
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
Poly
场氧
场氧
poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
Poly
Nwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
场氧 SiO2
P－type Si
S/D
SiO2
版图层次定义
N+ implant
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
场氧 SiO2
N+ 接触
P－type Si
S/D
SiO2
版图层次定义
P+/N+扩散区
场氧
场氧
poly
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。
版图层次定义
N阱 P衬底
NWell
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.
SiO2
版图层次定义
MASK P+
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
P+ implant
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
场氧 SiO2
P－type Si
S/D
SiO2
版图层次定义
P+/N+扩散区
NWell
Nwell
版图层次定义 光
MASK Nwell 光刻胶 SiO2
P－type Si
NWell
版图层次定义
NWell
光刻胶
MASK Nwell SiO2
光刻胶
P－type Si
版图层次定义
NWell
光刻胶 SiO2
P－type Si
光刻胶 SiO2
版图层次定义
NWell
SiO2
Nwell P－type Si
有源区
• 有源区（薄氧区）
多晶硅1
•多晶硅1（Poly1）.
多晶硅2
• 多晶硅2（Poly2）
多晶硅2阻挡层 • 多晶硅2掺杂阻挡层
版图层次定义
NWell
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
PS
7. 耗尽型NMOS沟道注入 VDN
ND
PD 8. 耗尽型PMOS沟道注入 VDP
版图层次定义
Layout
9.纵向NPN 基区注入
P-base
BA
10.多晶硅
Poly1
GT
11.N型源/漏
N+
SN
12.P型源/漏
P+
SP
13.ROM
ROM
RO
14.Poly2阻挡层 15.Poly2 16.接触孔
Poly电容和Poly电阻我们会在后面做专门介绍。
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
版图层次定义
Nwell
active
poly
版图层次定义
MASK poly
Poly
场氧
场氧
光刻胶 poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
MASK poly
Poly
场氧
场氧
光刻胶 poly
场氧 SiO2
PNwweellll
P－type Si
SiO2
版图层次定义
Poly
P衬底 透光区
SiO2 P衬底
P衬底
光刻胶
去光刻胶 光刻胶
版图层次定义
NWell
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）
版图层次定义
Nwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
omicontact
Nwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
N+ impant
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
SiO2
不透光区 未曝光区
透光区 掩膜版 曝光区
P衬底
版图层次定义
NWell
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。
刻蚀
掩膜版 SiO2
SiO2 不透光区
PNwweellll
场氧 SiO2
N+ 接触
P－type Si
S/D
SiO2
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）
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。
版图层次定义
有源区 封闭图形内形成薄氧
场氧
场氧
薄氧
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
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 FOX 宽度。所以实际制造出来的 器件的沟道长度会比版图所
Si3N4 Nwell
SiO2
P－type Si
SiO2
版图层次定义
有源区
MASK Active
MASK active
光刻胶
Si3N4
SiO2
Nwell
P－type Si
SiO2
版图层次定义
有源区
MASK Active
MASK active
光刻胶
光刻胶 Si3N4
SiO2
Nwell
P－type Si
FOX
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）。
有源区
有源区
有源区掩膜 栅氧
理想的LOCOS
FOX
栅氧 实际LOCOS
FOX
版图层次定义
Nwell
•N阱
有源区
• 有源区（薄氧区）
多晶硅1
•多晶硅1（Poly1）.
多晶硅2
• 多晶硅2（Poly2）
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）
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）。
多晶硅2阻挡层 • 多晶硅2掺杂阻挡层
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.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。
IC工艺和版图设计
第二章 版图设计规则
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 . CH2-3 2 . 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. CH2-4 3 . 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、CH9 4 . CSMC 0.5um DPTM Mixed Signal Technology Technology Topological Design Rule
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）
场氧
场氧
poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
版图层次定义
Poly
场氧
场氧
poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
SiO2
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.
NMOS）直接制栅作在p衬底上；
栅
P沟M源OSFET（简漏称PMOS）需源要制作在N漏阱上。
n
n
p
p
n阱
nmos
p衬底
p衬底 pmos
版图层次定义
NWell
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。
High Res
IM
Poly2
PC
W1 Contact
版图层次定义
Layout
17. 金属1
Metal1
A1
18.M1和M2接触孔
VIA1
W1
19. 金属2
Metal2
A2
20. M2和M3接触孔
VIA2
W3
21. 金属3 22. 焊盘PAD
Metal3
A3
PAD
CP
版图层次定义
Nwell
•N•N阱阱
Nwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
N+ impant
Nwell
active
pቤተ መጻሕፍቲ ባይዱly
光 MASK N+
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
场氧 SiO2
P－type Si
S/D
SiO2
光 MASK N+
本章主要内容
Layout
版图层次定义 版图设计规则
简单反相器版图
版图层次定义
Layout
1. 有源区
Active
TO
2.N阱 3. 场注入
NWell
TB
---------
PT
4. 正常Vth沟道注入
---------
BC
5. 低Vth NMOS沟道注入 LVN
6. 低VthPMOS沟道注入
LVP
SiO2
版图层次定义
Nwell
•N阱
有源区
• 有源区（薄氧区）
多晶硅1
•多晶硅1（Poly1）.
多晶硅2
• 多晶硅2（Poly2）
多晶硅2阻挡层 • 多晶硅2掺杂阻挡层
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。
版图层次定义
P+/N+扩散区
Pwell Active Poly P+ implant N+ impant Omicontact Metal
Nwell
active
poly
P+ implant
版图层次定义
MASK P+
P+/N+扩散区
场氧
光刻胶 场氧
poly
PNwweellll
P－type Si
场氧 SiO2
版图层次定义
NWell
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。）
版图层次定义
NWell