1、书名：集成电路设计基础书名：集成电路设计基础 ISBNISBN： 978-7-111-42768-1978-7-111-42768-1作者：董海青作者：董海青出版社：机械工业出版社出版社：机械工业出版社本书配有电子课件本书配有电子课件集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件集成电路设计基础董海青集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件 工艺，即制造集成电路元器件的过程！工艺，即制造集成电路元器件的过程！ 元器件分很多种，对应的制造工艺也不尽元器件分很多种，对应的制造工艺也不尽相同，我们可以根据元器件进行分类。相同，
2、我们可以根据元器件进行分类。 根据器件可以将工艺分成双极型集成电路根据器件可以将工艺分成双极型集成电路制造工艺、制造工艺、MOSMOS型集成电路工艺和型集成电路工艺和Bi-CMOSBi-CMOS集成集成电路制造工艺；根据电路功能可以分为模拟集电路制造工艺；根据电路功能可以分为模拟集成电路制造工艺个数字集成电路制造工艺。成电路制造工艺个数字集成电路制造工艺。 目前比较常用的是数字集成电路，但模拟目前比较常用的是数字集成电路，但模拟集成电路也是必不可少的！而集成电路也是必不可少的！而MOSMOS集成电路又集成电路又由于其自身的一系列有点而广泛使用。由于其自身的一系列有点而广泛使用。集成电路设计集成
3、电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件 MOS MOS型集成电路有可以根据型集成电路有可以根据MOSMOS晶体管的不晶体管的不同而分为同而分为NMOSNMOS集成电路、集成电路、PMOSPMOS集成电路和集成电路和CMOSCMOS集成电路。集成电路。 由于模拟集成电路的必不可少，现在比较由于模拟集成电路的必不可少，现在比较流行的是流行的是Bi-CMOSBi-CMOS工艺，即在一个芯片上同时工艺，即在一个芯片上同时制作双极型器件和制作双极型器件和MOSMOS型器件。它综合了双极型器件。它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和器件高跨导、强负载驱动能力和CMOSCM
4、OS器件高集器件高集成度、低功耗的优点。成度、低功耗的优点。集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件 本章我们以目前比较常用的本章我们以目前比较常用的CMOSCMOS集成电路集成电路工艺为例，简单介绍工艺流程以及对应的元器工艺为例，简单介绍工艺流程以及对应的元器件。件。1、CMOS工艺2、无源元件3、有源器件4、器件模型5、MOS器件特性集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺1 1）版图）版图2 2）流程）流程3 3）其它工艺）其它工艺 CMOS CMOS，即互补型，即互补型MOSMO
5、S，电路中同时包含对，电路中同时包含对应的应的NMOSNMOS晶体管和晶体管和PMOSPMOS晶体管，而且是成对出晶体管，而且是成对出现，其中现，其中PMOSPMOS作为负载管，作为负载管，NMOSNMOS作为驱动管。作为驱动管。集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺1 1）版图）版图 同时包含对应的同时包含对应的NMOSNMOS晶体管和晶体管和PMOSPMOS晶体管，晶体管，那么应该用什么衬底和阱？那么应该用什么衬底和阱？ 根据阱的导电类型可以分为根据阱的导电类型可以分为N N阱工艺、阱工艺、P P阱阱工艺和双阱工艺。工艺和双阱
6、工艺。集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺1 1）版图）版图 此处为此处为N N阱阱CMOSCMOS工艺的反相器截面图。工艺的反相器截面图。集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺1 1）版图）版图 把刚才的把刚才的版图拆分可以版图拆分可以得到六层不同得到六层不同的区域。每一的区域。每一层要单独设计层要单独设计制作。制作。 如何制作如何制作每一层？每一层？集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺2 2）流程
7、）流程 基本的工艺包括清洗、氧化、光刻、掺杂、基本的工艺包括清洗、氧化、光刻、掺杂、淀积、溅射、外延等。淀积、溅射、外延等。集成电路设计集成电路设计基础基础 高职高职高专高专 pptppt 课件课件三、工艺器件1、CMOS工艺2 2）流程）流程 Flash Flash动画演示工艺流程！动画演示工艺流程！三、工艺器件1、CMOS工艺3 3）其它工艺）其它工艺 CMOS CMOS工艺本身有一个致命的缺陷：闩锁效工艺本身有一个致命的缺陷：闩锁效应！如何去掉？应！如何去掉？ SOS-CMOSSOS-CMOS工艺；工艺； SOI-CMOSSOI-CMOS工艺。工艺。三、工艺器件2、无源元件 无源元件是电
8、路中不可或缺的元件。主要无源元件是电路中不可或缺的元件。主要包括互连线、电阻、电容和电感。包括互连线、电阻、电容和电感。三、工艺器件2、无源元件1 1）互连线）互连线 互连线是各种集成电路的基本元件，互连互连线是各种集成电路的基本元件，互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务。线的版图设计是集成电路设计中的基本任务。专业术语专业术语“布局布线布局布线”中的布线即互连线的设中的布线即互连线的设计。计。 一般情况下，互连线是金属薄层形成的条一般情况下，互连线是金属薄层形成的条带状导体，有时也可以是导体层形成的条带状带状导体，有时也可以是导体层形成的条带状导体。导体。三、工艺器件2、无源元件1 1
9、）互连线）互连线 在设计互连线的过程中，要注意以下几点：在设计互连线的过程中，要注意以下几点：尽量短；最小宽度；最大电流量；多尽量短；最小宽度；最大电流量；多层互连线；趋肤效应和寄生参数；利用寄层互连线；趋肤效应和寄生参数；利用寄生效应。生效应。三、工艺器件2、无源元件2 2）电阻）电阻 电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集成电路还是数字集成电路。成电路还是数字集成电路。 导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻率表达导电性能。率表达导电性能。 在集成电路中，比较常用的电阻主要有：在集成电路中，比较常用的电阻主要有：导体层片式
10、电阻、高精度电阻、互连线电阻、导体层片式电阻、高精度电阻、互连线电阻、有源电阻。有源电阻。三、工艺器件2、无源元件2 2）电阻）电阻 电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集成电路还是数字集成电路。成电路还是数字集成电路。 导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻率表达导电性能。率表达导电性能。 在集成电路中，比较常用的电阻主要有：在集成电路中，比较常用的电阻主要有：导体层片式电阻、高精度电阻、互连线电阻、导体层片式电阻、高精度电阻、互连线电阻、有源电阻。有源电阻。三、工艺器件2、无源元件2 2）电阻）电阻 电阻的阻值如何计算？电
11、阻的阻值如何计算？ 方块电阻、薄膜电阻、薄层电阻等。方块电阻、薄膜电阻、薄层电阻等。 R=NR=NR R。 如果方块电阻为如果方块电阻为1欧姆欧姆/方块，做一个方块，做一个10K的电阻，怎么做？的电阻，怎么做？ 采用弯折电阻，否则版图将会很长很长，采用弯折电阻，否则版图将会很长很长，相当地长。相当地长。三、工艺器件2、无源元件2 2）电阻）电阻 弯折电阻，如图所示。弯折电阻，如图所示。三、工艺器件2、无源元件2 2）电阻）电阻 弯折电阻，电阻阻值还是按照原来的方式弯折电阻，电阻阻值还是按照原来的方式计算吗？计算吗？ 这样这样的电阻在计算其阻值的过程中要充分的电阻在计算其阻值的过程中要充分考虑拐
12、角处的电阻和两端的电阻，一般情况下考虑拐角处的电阻和两端的电阻，一般情况下要进行电阻值的修正。对于不同的工艺，其修要进行电阻值的修正。对于不同的工艺，其修正因子一般不同，但工艺厂家一般都会把电阻正因子一般不同，但工艺厂家一般都会把电阻的修正计算公式提供给设计者。的修正计算公式提供给设计者。三、工艺器件2、无源元件3 3）电容）电容 集成电路中的电容一般都是平板电容，但集成电路中的电容一般都是平板电容，但电容一般用在高速集成电路中，普通集成电路电容一般用在高速集成电路中，普通集成电路考虑到成本问题，一般不会集成电容在芯片中。考虑到成本问题，一般不会集成电容在芯片中。 实现电容的方法有以下几种：利
13、用二极实现电容的方法有以下几种：利用二极管和三极管的结电容；利用插指金属结构；管和三极管的结电容；利用插指金属结构；利用金属利用金属-绝缘体绝缘体-金属结构；利用多晶硅金属结构；利用多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅结构；多晶硅结构；三、工艺器件2、无源元件3 3）电感）电感 开始很长的一段时间内，人们一直认为电开始很长的一段时间内，人们一直认为电感不能集成在芯片上。现在芯片的工作频率越感不能集成在芯片上。现在芯片的工作频率越来越大，工作速度越来越高，芯片上金属结构来越大，工作速度越来越高，芯片上金属结构的电感效应越来越明显。芯片电感的实现成为的电感效应越来越明显。芯片电感的实现成为可能。
14、可能。 比较常见的实现电感的方式是以集总电感比较常见的实现电感的方式是以集总电感和传输线元件的形式来实现。和传输线元件的形式来实现。三、工艺器件3、有源器件 如果电子元器件工作时，其内部有电源存如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。在，则这种器件叫做有源器件。 比较常用的有源器件包括：二极管、三极比较常用的有源器件包括：二极管、三极管、管、MOSMOS管等。管等。三、工艺器件3、有源器件1 1）二极管）二极管 二极管是集成电路中比较常用的一种器件，二极管是集成电路中比较常用的一种器件，特别是在双极型集成电路中。特别是在双极型集成电路中。三、工艺器件3、有源器件2 2）
15、三极管）三极管 三极管即双极型晶体管，有两个三极管即双极型晶体管，有两个PNPN结连接结连接而成，有而成，有P-N-PP-N-P结构和结构和N-P-NN-P-N结构两种，分别对结构两种，分别对应着应着NPNNPN和和PNPPNP晶体管。晶体管。三、工艺器件3、有源器件3 3）MOSMOS晶体管晶体管 MOS MOS管是将金属、氧化物和半导体叠加在管是将金属、氧化物和半导体叠加在一起形成的器件。根据导电沟道的不同又可以一起形成的器件。根据导电沟道的不同又可以分为分为N N沟和沟和P P沟沟MOSMOS晶体管。晶体管。三、工艺器件3、有源器件3 3）MOSMOS晶体管晶体管 MOS MOS管核心是
16、沟道（管核心是沟道（ChannelChannel）。沟道是如）。沟道是如何形成的？何形成的？三、工艺器件3、有源器件3 3）MOSMOS晶体管晶体管 MOS MOS管的工作过管的工作过程，根据沟道的形成程，根据沟道的形成过程，可以知道过程，可以知道MOSMOS管工作分为截止区、管工作分为截止区、线性区和饱和区。线性区和饱和区。三、工艺器件3、有源器件3 3）MOSMOS晶体管晶体管212DGSTNDSDSI VVVVnOXU CL22nOXDGSTN CWIVVL三、工艺器件4、器件模型 在集成电路设计的过程中，为了在流片以在集成电路设计的过程中，为了在流片以前了解电路的基本工作特性，需要预先
17、分析电前了解电路的基本工作特性，需要预先分析电路的工作特性。如何分析？路的工作特性。如何分析？ 分析的过程实际是计算的过程，计算电路分析的过程实际是计算的过程，计算电路中的电压和电流值，怎么计算？中的电压和电流值，怎么计算？ 需要知道器件的特性，根据半导体物理的需要知道器件的特性，根据半导体物理的知识可知，需要大量的数学公式运算。知识可知，需要大量的数学公式运算。 元器件的数学公式和对应的参变量即为模元器件的数学公式和对应的参变量即为模型。型。三、工艺器件4、器件模型1 1）二极管模型）二极管模型 二极管是相对简单一点的器件。二极管是相对简单一点的器件。参数名参数名公式符号公式符号SPICES
18、PICE符号符号单位单位饱和电流饱和电流ISISISISA A发射系数发射系数n nN N串联体电阻串联体电阻RSRSRSRS渡越时间渡越时间TTTTTTs s零偏势垒电容零偏势垒电容Cj0Cj0CJ0CJ0F F梯度因子梯度因子m mM MPNPN结内建势垒结内建势垒V0V0VJVJV V三、工艺器件4、器件模型1 1）二极管模型）二极管模型 二极管是相对简单一点的器件。二极管是相对简单一点的器件。下面给出一个普通二极管的工艺模型数据：.MODEL DIODE D(IS=5.3253E-12 N=3.4748.MODEL DIODE D(IS=5.3253E-12 N=3.4748 + RS
19、=1.0000E-3 CJO=1.0000E-12 M=.333 + RS=1.0000E-3 CJO=1.0000E-12 M=.333 + VJ=.75 ISR=100.00E-12 BV=120 + VJ=.75 ISR=100.00E-12 BV=120 + IBV=1.00E-6 TT=5.0000E-9) + IBV=1.00E-6 TT=5.0000E-9)三、工艺器件4、器件模型2 2）三极管模型）三极管模型 三极管是比较复杂一点的器件。三极管是比较复杂一点的器件。参数名称参数名称公式中符号公式中符号SPICESPICE符号符号单位单位饱和电流饱和电流ISISISISA A理想
20、最大正向电流增益理想最大正向电流增益FFBFBF理想最大反向电流增益理想最大反向电流增益BBBRBR正向厄立电压正向厄立电压VAFVAFVAFVAFV V反向厄立电压反向厄立电压VARVARVARVARV V衬底结指数因子衬底结指数因子msmsMJSMJS衬底结内建电势衬底结内建电势Vs0Vs0VJSVJSV V正向渡越时间正向渡越时间FFTFTFs s三、工艺器件4、器件模型2 2）三极管模型）三极管模型 三极管是比较复杂一点的器件。三极管是比较复杂一点的器件。.MODEL NPN NPN.MODEL NPN NPN+ IS=1.501E-12 BF=772.1 NF=1 VAF=100+
21、IS=1.501E-12 BF=772.1 NF=1 VAF=100+ IKF=.1298 ISE=163.8E-12 NE=1.998 BR=499.5+ IKF=.1298 ISE=163.8E-12 NE=1.998 BR=499.5+ NR=1 VAR=100 IKR=19.98 ISC=1.536E-12+ NR=1 VAR=100 IKR=19.98 ISC=1.536E-12+ NC=2.997 RB=1.101 NK=.5077+ NC=2.997 RB=1.101 NK=.5077+ RE=0 RC=.1498 EG=1.110+ RE=0 RC=.1498 EG=1.110
22、+ CJE=316.6E-12 VJE=.436 MJE=.2878 TF=16.416E-9+ CJE=316.6E-12 VJE=.436 MJE=.2878 TF=16.416E-9+ XTF=1 VTF=10 ITF=10.00E-3 CJC=189.3E-12+ XTF=1 VTF=10 ITF=10.00E-3 CJC=189.3E-12+ VJC=.6244 MJC=.1866 XCJC=.9 FC=.5+ VJC=.6244 MJC=.1866 XCJC=.9 FC=.5+ TR=13.837E-9+ TR=13.837E-9三、工艺器件4、器件模型3 3）MOSMOS管模型管
23、模型 MOS MOS管是比较复杂一点的器件。管是比较复杂一点的器件。序号序号参数名称参数名称参数含义解释参数含义解释单位单位默认值默认值1 1LEVELLEVEL模型级别模型级别2 2VTOVTO零偏置阈值电压零偏置阈值电压V V0.00.03 3KPKP本征跨导参数本征跨导参数A/V2A/V22.02.01010-5-54 4ISIS衬底结饱和电流衬底结饱和电流A A1.01.01010-15-155 5RSHRSH源漏扩散方块电阻源漏扩散方块电阻/口口0.00.06 6TOXTOX栅氧化层厚度栅氧化层厚度m m1.01.01010-7-77 7LDLD沟道横向扩散长度沟道横向扩散长度m m
24、0.00.0三、工艺器件4、器件模型3 3）MOSMOS极管模型极管模型 MOS MOS极管是比较复杂一点的器件。极管是比较复杂一点的器件。.model nmos nmos.model nmos nmos+ Level=2 Ld=0.0u Tox=225.00E-10+ Level=2 Ld=0.0u Tox=225.00E-10+ Nsub=1.066E+16 Vto=0.622490 Kp=6.326640E-+ Nsub=1.066E+16 Vto=0.622490 Kp=6.326640E-0505+ Gamma=.639243 Phi=0.31 Uo=1215.74+ Gamma=.
25、639243 Phi=0.31 Uo=1215.74+ Uexp=4.612355E-2 Ucrit=174667 Delta=0.0+ Uexp=4.612355E-2 Ucrit=174667 Delta=0.0+ Vmax=177269 Xj=.9u Lambda=0.0+ Vmax=177269 Xj=.9u Lambda=0.0+ Nfs=4.55168E+12 Neff=4.68830 Nss=3.00E+10+ Nfs=4.55168E+12 Neff=4.68830 Nss=3.00E+10+ Tpg=1.000 Rsh=60 Cgso=2.89E-10+ Tpg=1.000
26、Rsh=60 Cgso=2.89E-10+ Cgdo=2.89E-10 Cj=3.27E-04 Mj=1.067+ Cgdo=2.89E-10 Cj=3.27E-04 Mj=1.067+ Cjsw=1.74E-10 Mjsw=0.195+ Cjsw=1.74E-10 Mjsw=0.195三、工艺器件5、MOS器件特性 MOS MOS晶体管是目前应用非常普遍的一种器晶体管是目前应用非常普遍的一种器件，不管是数字集成电路还是模拟集成电路。件，不管是数字集成电路还是模拟集成电路。 下面我们简单讨论一下下面我们简单讨论一下MOSMOS晶体管的特性。晶体管的特性。1 1）I-VI-V特性特性2 2）C-
27、VC-V特性特性3 3）特性参数）特性参数三、工艺器件5、MOS器件特性1 1）I-VI-V特性特性 MOS MOS晶体管可以看成一个平板电容，因此晶体管可以看成一个平板电容，因此可以用电容的特性来分析可以用电容的特性来分析MOSMOS晶体管的特性。晶体管的特性。DSDSTGSDSDSTGSoxchannelDSVVVVVVVVLWCvLQI)2/()2/(/三、工艺器件5、MOS器件特性2 2）C-VC-V特性特性 MOS MOS晶体管可以看成一个平板电容，但工晶体管可以看成一个平板电容，但工作电压改变时，电容的绝缘介质在改变。作电压改变时，电容的绝缘介质在改变。 因此其电容特性也随着工作电
28、压的改变而因此其电容特性也随着工作电压的改变而改变。改变。三、工艺器件5、MOS器件特性3 3）特性参数）特性参数 MOS MOS晶体管的常用特性参数包括宽长比、晶体管的常用特性参数包括宽长比、阈值电压、导通电阻、跨导、最高工作频率、阈值电压、导通电阻、跨导、最高工作频率、沟道长度调制效应和衬底偏置效应。沟道长度调制效应和衬底偏置效应。三、工艺器件5、MOS器件特性3 3）特性参数）特性参数 宽长比宽长比 宽长比即宽长比即W/LW/L，MOSMOS晶体管最重要的一个参晶体管最重要的一个参数。前面所有的电流计算几乎都和它有关，同数。前面所有的电流计算几乎都和它有关，同时也是进行集成电路时也是进行集成电路MOSMOS晶体管设计的一个最晶体管设计的一个最重要参数。重要参数。三、工艺器件5、MOS器件特性3 3）特性参数）特性参数 阈值电压阈值电压 影响影响MOSMOS管阈值电压的因素主要有：管阈值电压的因素主要有： 绝缘介质绝缘介质SiO2SiO2中的电荷；中的电荷； 衬底的掺杂浓度；衬底的掺杂浓度； 栅氧化层的厚度；栅氧化层的厚度； 栅材料与硅的功函数差。栅材料与硅的功函数差。
