超大规模集成电路设计-集成电路制作工艺：CMOS工艺课件.ppt

1、精选课件精选课件超大规模集成电路设计集成电路制作工艺：集成电路制作工艺：CMOS工艺工艺精选课件精选课件2第二章 集成电路制作工艺n2.1.1 集成电路加工的基本操作n2.1.2 MOS结构和分类n2.2.1 N阱CMOS工艺n2.2.2 深亚微米CMOS工艺n2.3.1 CMOS IC中的寄生效应n2.3.2 SOI工艺n2.3.3 CMOS版图设计规则精选课件精选课件32.1.2 MOS结构和分类nMOS器件是一个夹层结构nM：是metal，金属nO：是oxide，氧化物nS：是semiconductor，半导体n早期工艺的MOS器件的栅极是用金属制造的，所以从栅极向下是金属，氧化物和半导

2、体的结构精选课件精选课件4What is a Transistor?VGS VTRonSDA Switch!|VGS|An MOS Transistorn简单的可以把简单的可以把mos管看作是一个电压控制的开关，当控制电压管看作是一个电压控制的开关，当控制电压高于高于阈值电压阈值电压，开关闭合，低于阈值电压，开关断开，开关闭合，低于阈值电压，开关断开精选课件精选课件51、MOS器件结构nMOS器件有四个端可以连接电极，分别为源，漏，栅和衬底n半导体衬底表面在栅极绝缘层以下的部分称为沟道区，因为在mos工作过程中会在这里形成导电沟道n因此，MOS在纵深方向是MOS三层结构，在横向是源沟道漏的结构

3、DSGBNMOS withBulk Contact精选课件精选课件6MOS：栅极和衬底n器件工作过程中，栅极和衬底之间的电压形成纵向电场，这个电场会在衬底表面会形成一个导电通道，该沟道会连接源端和漏端nMOS的栅极同其他三个电极是绝缘的，因此MOS也称为绝缘栅场效应晶体管（IGFET）nMOS的衬底BULK端是掺杂的半导体，一般接固定的电源和地电压，因此有时候MOS器件的符号只标出GDS三端DSGBNMOS withBulk ContactGSD精选课件精选课件7MOS：源和漏nMOS器件的源区和漏区在结构和工艺加工上是完全相同的，在使用中可以被交换，但是为了分析的方便还是需要区分n源端是载流

4、子流出的一端（载流子的来源source），漏端是载流子流入的一端（载流子在这里消失drain）n源漏区是半导体表面高掺杂的区域，作为源漏电极n衬底电极也需要高掺杂的欧姆接触，只是其掺杂极性同源漏区相反精选课件精选课件8MOS：漏，栅，源，衬nMOS作为四端器件在漏电压，栅电压，源电压和衬底电压的作用下工作n栅极的隔离是靠绝缘的栅氧化层，同半导体表面上的其他三个电极隔开n源极和漏极同衬底接触，源漏和衬底的隔离是靠形成的反向PN结n源极和漏极之间由两个PN结隔开n因此，在MOS器件的工作过程中需要保持源漏同衬底之间的PN结0偏或者是反偏精选课件精选课件9MOS晶体管的基本结构n在栅电压的控制下，M

5、OS在沟道区形成导电沟道连接源漏区，因此经常我们关心源漏区和沟道区的情况n源漏区：主要目的是形成源漏电极，作为开关的两端n沟道区：器件的主要工作区，沟道的长度（L）和宽度（W）直接影响着沟道内的电流精选课件精选课件10精选课件精选课件11MOS晶体管的结构参数n结构参数：沟道的长度（L）、宽度（W）和栅氧化层的厚度（tox）直接影响着沟道电流的大小n导通状态的沟道区可以看作是一个电阻n沟道的形成和载流子密度受到纵向电场的控制n栅氧化层厚度是由工艺决定的，MOS器件的主要设计参数就是沟道长度和宽度Gate oxiden+SourceDrainp substrateBulk(Body)Field-

6、Oxide(SiO2)n+Polysilicon GateLW精选课件精选课件12MOS的沟道长度n栅长是决定器件尺寸的关键，也是区分不同半导体加工技术换代的标志，是半导体集成度的标志，因此也称为关键尺寸（critical dimension）Gate oxiden+SourceDrainp substrateBulk(Body)p+stopperField-Oxide(SiO2)n+Polysilicon GateLW精选课件精选课件13沟道长度的计算n由于源漏区加工过程中掺杂向半导体表面横向扩散，实际的沟道长度同设计中图形宽度并不相等toxn+n+Cross sectionLGate ox

7、ideLdLdLGPolysilicon gateTop viewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+W精选课件精选课件14MOS的器件宽度n沟道电流在WL的沟道区域内，沿着沟道长度的方向，在源漏端之间流动；沟道长度越小、宽度越大，电流也越大；n沟道长度受到加工工艺的限制，一般取为允许的最小尺寸，即关键尺寸；而沟道宽度是主要的设计变量Gate oxiden+SourceDrainp substrateBulk(Body)p+stopperField-Oxide(SiO2)n+Polysilicon GateLW精选课件精选课件15沟道宽度的计算n对于简单的矩形栅极，沟

8、道宽度就是有源区的宽度n而对于复杂形状的mos器件，需要根据实际情况确定沟道宽度源端源端漏端漏端漏端漏端漏端漏端源端源端精选课件精选课件16MOS器件的实际沟道宽度n局部氧化局部氧化LOCOS工艺工艺n场氧在有源区边缘形成鸟嘴场氧在有源区边缘形成鸟嘴n使得实际的沟道宽度有所减小使得实际的沟道宽度有所减小精选课件精选课件172、MOS器件的分类n根据参与导电的载流子的类型，MOS器件可以分为NMOS和PMOS两种nNMOS器件中的载流子是电子，源漏区是n区，衬底是p型nPMOS器件中的载流子是空穴，源漏区是p区，衬底是n型n为了产生导电沟道，以及源漏pn结隔离，两种器件的端电压极性相反精选课件精

9、选课件18MOS器件的分类n根据工作机制MOS又可以分为增强型和耗尽型n前面我们都是以n沟道增强型mos举例，增强型器件在栅压小于阈值电压的时候，无法产生导电沟道n耗尽型MOS器件在没有加栅压情况下就有沟道，需要加栅压才能使得沟道消失精选课件精选课件19MOS Transistors-Types and SymbolsDSGDSGGSDDSGNMOSEnhancementNMOSPMOSDepletionEnhancementBNMOS withBulk Contact实际应用最多的是增强型实际应用最多的是增强型的的NMOS和和PMOS器件器件Mos作为四端器件有作为四端器件有D,G,S,B四

10、个电极四个电极在实际的设计中，同类型在实际的设计中，同类型的的mos器件的衬底一般接相器件的衬底一般接相同的电位，有时候为了简便，同的电位，有时候为了简便，只画出只画出3端，而默认衬底接端，而默认衬底接电源电源/地地为了简便，一般以增强型为了简便，一般以增强型NMOS举例举例精选课件精选课件20MOS晶体管的输入特性nCMOS：增强型NMOS和PMOSn目前的数字集成电路中耗尽型MOS较少使用精选课件精选课件21MOS晶体管的分类晶体管的分类精选课件精选课件22MOS晶体管的结构特点n由于具有源漏同衬底的隔离，MOS器件同双极器件相比占用面积小，集成度高nMOS是绝缘栅结构，即栅极不取电流，输

11、入阻抗高，易于电路间的直接耦合n源漏对称结构使得器件具有双向导通的特性，设计灵活nCMOS结构没有静态短路功耗n由于MOS器件是少子导电，需要先产生沟道电荷，然后才能导电，因此速度比双极器件慢精选课件精选课件23第二章第二章 集成电路制作工艺集成电路制作工艺n2.1.1 集成电路加工的基本操作集成电路加工的基本操作n2.1.2 MOS结构和分类结构和分类n2.2.1 N阱阱CMOS工艺工艺n2.2.2 深亚微米深亚微米CMOS工艺工艺n2.3.1 CMOS IC中的寄生效应中的寄生效应n2.3.2 SOI工艺工艺n2.3.3 CMOS版图设计规则版图设计规则精选课件精选课件242.2.1 N阱

12、阱CMOS结构和工艺结构和工艺n衬底硅片选择衬底硅片选择n制作阱制作阱n场区氧化场区氧化n形成硅栅形成硅栅n形成源、漏区形成源、漏区n制作互连线制作互连线精选课件精选课件25N阱阱CMOS工艺流程：硅片的选择工艺流程：硅片的选择n晶向无缺陷的单晶硅片晶向无缺陷的单晶硅片 n8 8英寸硅片，硅片厚度约英寸硅片，硅片厚度约700um 700um np p型硅片，电阻率为型硅片，电阻率为10-50cm 10-50cm nNMOSNMOS做在衬底上，做在衬底上，PMOSPMOS在在N N阱里阱里精选课件精选课件26 CMOS反相器版图：反相器版图：N阱工艺阱工艺精选课件精选课件272 2、制作、制作n

13、 n阱阱n热氧化形成初始氧化层作为阱区注入的掩蔽层热氧化形成初始氧化层作为阱区注入的掩蔽层n在氧化层上开出在氧化层上开出n n阱区窗口阱区窗口n注磷在窗口下面形成注磷在窗口下面形成n n阱阱 n退火和阱区推进退火和阱区推进精选课件精选课件283 3、场区氧化、场区氧化nLOCOSLOCOS工艺具体步骤工艺具体步骤n生长薄层生长薄层SiOSiO2 2缓冲层缓冲层 n淀积氮化硅淀积氮化硅 n刻掉场区的氮化硅和刻掉场区的氮化硅和缓冲氧化层缓冲氧化层n场区注入场区注入热氧化形成场氧化层热氧化形成场氧化层n n 阱阱p p 型型衬衬底底场氧化层n阱场区氧化后精选课件精选课件29场氧向有源区侵蚀问题场氧向

14、有源区侵蚀问题n局部氧化局部氧化LOCOS工艺工艺n场氧在有源区边缘形成场氧在有源区边缘形成鸟嘴鸟嘴n在缓冲层二氧化硅上淀在缓冲层二氧化硅上淀积一层多晶硅缓冲层积一层多晶硅缓冲层n深亚微米工艺一般采用深亚微米工艺一般采用沟槽隔离沟槽隔离STI精选课件精选课件30场区寄生场区寄生MOSMOS晶体管晶体管防止出现寄生沟道的措施防止出现寄生沟道的措施:足够厚的场氧化层足够厚的场氧化层 场区注硼场区注硼精选课件精选课件314 4、制作硅栅、制作硅栅n硅栅工艺实现了栅硅栅工艺实现了栅 和源、漏区自对准和源、漏区自对准n具体步骤：具体步骤：n生长缓冲层生长缓冲层 n沟道区注入沟道区注入n生长栅氧化层生长栅

15、氧化层 nCVDCVD工艺淀积多工艺淀积多晶硅晶硅n多晶硅掺杂多晶硅掺杂光刻和刻蚀形成光刻和刻蚀形成多晶硅栅的图形多晶硅栅的图形 精选课件精选课件325 5、形成源和漏区、形成源和漏区n磷注入形成磷注入形成n+区区 作为作为NMOS源、漏区和源、漏区和n阱引出区阱引出区n硼注入，形成硼注入，形成PMOS的源、漏区和的源、漏区和p型衬底的欧姆接触区型衬底的欧姆接触区 精选课件精选课件336 6、形成金属互连线、形成金属互连线n在整个硅片上淀积氧化层在整个硅片上淀积氧化层n通过光刻在氧化层上开出引线孔通过光刻在氧化层上开出引线孔n在整个硅片上淀积金属层，如铝在整个硅片上淀积金属层，如铝 n光刻形成

16、需要的金属互连线图形光刻形成需要的金属互连线图形 VoutVdd精选课件精选课件34 n阱阱CMOS剖面结构剖面结构阱硅衬底P+P+nnn+P型VVVVDDinoutSSnpGNDVDD精选课件精选课件35第二章第二章 集成电路制作工艺集成电路制作工艺n2.1.1 集成电路加工的基本操作集成电路加工的基本操作n2.1.2 MOS结构和分类结构和分类n2.2.1 N阱阱CMOS工艺工艺n2.2.2 深亚微米深亚微米CMOS工艺工艺n2.3.1 CMOS IC中的寄生效应中的寄生效应n2.3.2 SOI工艺工艺n2.3.3 CMOS版图设计规则版图设计规则精选课件精选课件362.2.2 深亚微米深

17、亚微米CMOS结构和工艺结构和工艺精选课件精选课件37 深亚微米深亚微米CMOS工艺的主要改进工艺的主要改进n浅沟槽隔离浅沟槽隔离n双阱工艺双阱工艺n非均匀沟道掺杂非均匀沟道掺杂n n+/p+两种硅栅两种硅栅n极浅的源漏延伸区极浅的源漏延伸区n硅化物自对准栅硅化物自对准栅-源源-漏结构漏结构n多层铜互连多层铜互连精选课件精选课件381、浅沟槽隔离、浅沟槽隔离 n常规常规CMOSCMOS工艺中的工艺中的LOCOSLOCOS隔离的缺点隔离的缺点n表面有较大的不平整度表面有较大的不平整度 n鸟嘴使实际有源区面积减小鸟嘴使实际有源区面积减小 n高温氧化热应力也会对硅片造成损伤和变形高温氧化热应力也会对

18、硅片造成损伤和变形n浅沟槽隔离的优势浅沟槽隔离的优势n占用的面积小，有利于提高集成密度占用的面积小，有利于提高集成密度 n不会形成鸟嘴不会形成鸟嘴 n用用CVDCVD淀积绝缘层从而减少了高温过程淀积绝缘层从而减少了高温过程 精选课件精选课件39浅沟槽隔离（浅沟槽隔离（STI）光刻胶光刻胶氮化硅氮化硅（a）（b）（c）（d）精选课件精选课件40STI抑制抑制窄沟效应窄沟效应精选课件精选课件412、外延双阱工艺、外延双阱工艺 n常规单阱常规单阱CMOS工艺，阱区浓度较高，使阱工艺，阱区浓度较高，使阱内的器件有较大的衬偏系数和源、漏区内的器件有较大的衬偏系数和源、漏区pn结结电容电容 n采用外延双阱

19、工艺的好处采用外延双阱工艺的好处n由于外延层电阻率很高，可以分别根据由于外延层电阻率很高，可以分别根据NMOSNMOS和和PMOSPMOS性能优化要求选择适当的性能优化要求选择适当的n n阱和阱和p p阱浓度阱浓度 n做在阱内的器件可以减少受到做在阱内的器件可以减少受到粒子辐射的影响粒子辐射的影响 n外延衬底有助于抑制体硅外延衬底有助于抑制体硅CMOSCMOS中的寄生闩锁效应中的寄生闩锁效应 精选课件精选课件42 3 沟道区的逆向掺杂和环绕掺沟道区的逆向掺杂和环绕掺杂结构杂结构n沟道掺杂原子数的随机涨落引起器件阈值沟道掺杂原子数的随机涨落引起器件阈值电压参数起伏，因此希望沟道表面低掺杂；电压参

20、数起伏，因此希望沟道表面低掺杂；体内需要高掺杂抑制穿通电流体内需要高掺杂抑制穿通电流n逆向掺杂技术利用纵向非均匀衬底掺杂，逆向掺杂技术利用纵向非均匀衬底掺杂，抑制短沟穿通电流抑制短沟穿通电流n环绕掺杂技术利用横向非均匀掺杂，在源环绕掺杂技术利用横向非均匀掺杂，在源漏区形成局部高掺杂区漏区形成局部高掺杂区精选课件精选课件43逆向掺杂逆向掺杂n逆向掺杂杂质分布逆向掺杂杂质分布n0.25um工艺工艺100个个NMOS器件阈值器件阈值电压统计结果电压统计结果n器件阈值分布的标器件阈值分布的标准差减小准差减小精选课件精选课件44逆向掺杂：逆向掺杂：Delta沟道技沟道技术术nPMOS沟道区沟道区As离子

21、注入离子注入nNMOS注硼，硼的氧化增强注硼，硼的氧化增强扩散效应影响杂质分布扩散效应影响杂质分布nDelta沟道技术可以获得较沟道技术可以获得较陡峭的纵向低高掺杂分布陡峭的纵向低高掺杂分布精选课件精选课件45横向沟道工程：横向沟道工程：HALO掺杂结构掺杂结构n横向高掺杂区可以抑制源漏横向高掺杂区可以抑制源漏pn结耗尽区向沟结耗尽区向沟道内的扩展，减小短沟效应道内的扩展，减小短沟效应nHalo结构可以利用大角度注入实现结构可以利用大角度注入实现精选课件精选课件46横向沟道工程：横向沟道工程：POCKET掺杂结构掺杂结构精选课件精选课件474 4、n n、p p两种硅栅两种硅栅 n在在CMOS

22、电路中希望电路中希望NMOS和和PMOS的性能对称的性能对称，这样有，这样有利于获得最佳电路性能利于获得最佳电路性能 n使使NMOS和和PMOS性能对称很重要的一点是使它们的性能对称很重要的一点是使它们的阈值阈值电压绝对值基本相同电压绝对值基本相同 n在同样条件下，如果在同样条件下，如果NMOS和和PMOS都选用都选用n+硅栅，则硅栅，则PMOS的负阈值电压绝对值要比的负阈值电压绝对值要比NMOS的阈值电压大很多的阈值电压大很多 nPMOS采用采用p硅栅减小其阈值电压的绝对值，从而获得硅栅减小其阈值电压的绝对值，从而获得和和NMOS采用采用n硅栅对称的性能硅栅对称的性能 精选课件精选课件485

23、 5、SDESDE结构结构 n减小源漏区结深有利于抑制减小源漏区结深有利于抑制短沟效应。短沟效应。n问题：问题：简单地减小源、漏区简单地减小源、漏区结深将使源、漏区寄生电阻结深将使源、漏区寄生电阻增大造成增大造成MOSMOS晶体管性能退化晶体管性能退化!解决办法：解决办法：使用使用SDESDE结构，在结构，在沟道两端形成极浅的源、漏沟道两端形成极浅的源、漏延伸区延伸区。精选课件精选课件49SDESDE结深减小趋势结深减小趋势精选课件精选课件506、硅化物自对准结构、硅化物自对准结构 n在栅极两侧形成一定厚在栅极两侧形成一定厚度的氧化硅或氮化硅侧度的氧化硅或氮化硅侧墙，然后淀积难熔金属墙，然后淀

24、积难熔金属并和硅反应形成硅化物并和硅反应形成硅化物n作用：作用：减小多晶硅线和减小多晶硅线和源、漏区的寄生电阻；源、漏区的寄生电阻；减小金属连线与源、漏减小金属连线与源、漏区引线孔的接触电阻区引线孔的接触电阻硅化物同时淀积在栅电极上和暴露的源、漏区上，硅化物同时淀积在栅电极上和暴露的源、漏区上，因此是自对准结构因此是自对准结构精选课件精选课件517、铜互连、铜互连 n铜比铝的电阻率低铜比铝的电阻率低4040左右。用铜互连代替铝互连可以显左右。用铜互连代替铝互连可以显著减小互连线的寄生电阻从而减小互连线的著减小互连线的寄生电阻从而减小互连线的RCRC延迟延迟 n铜易于扩散到硅中，会影响器件性能；

25、铜还会对加工设备铜易于扩散到硅中，会影响器件性能；铜还会对加工设备造成污染，因此铜互连不能用常规的淀积和干法刻蚀方法造成污染，因此铜互连不能用常规的淀积和干法刻蚀方法形成形成 n铜互连技术特点：铜互连技术特点：n显著减小互连线的寄生电阻显著减小互连线的寄生电阻n与低与低k k介质材料结合减小寄生电容，提高电路性能介质材料结合减小寄生电容，提高电路性能n需要特殊的工艺技术：需要特殊的工艺技术：“镶嵌镶嵌”（大马士革）技术和（大马士革）技术和化学机械抛光技术化学机械抛光技术精选课件精选课件52常规互连和镶嵌工艺比较常规互连和镶嵌工艺比较 氧化层氧化层光刻胶光刻胶金属金属精选课件精选课件53采用铜互

26、连可以减少连线采用铜互连可以减少连线层数层数精选课件精选课件54 先进深亚微米先进深亚微米CMOSCMOS工艺过程工艺过程 精选课件精选课件55 先进深亚微米先进深亚微米CMOSCMOS工工艺过程（续）艺过程（续）精选课件精选课件5690nm CMOS90nm CMOS技术平台的技术平台的主要指标主要指标 参数参数一般器件一般器件低功耗器件低功耗器件低阈值低阈值常规阈值常规阈值低阈值低阈值常规阈值常规阈值电源电压VDD(V)1.01.01.21.2LG7090Tox(nm)1.62.1NMOS Ion(uA/um)640520540415NMOS Ioff(nA/um)1010.40.01NMOS JG(A/cm2)20.005PMOS Ion(uA/um)280215250170PMOS Ioff(nA/um)1010.40.01PMOS JG(A/cm2)10.002