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1、ICCAD版图.1 集成电路计算机辅助设计 集成电路制造与版图基础 微电子学院 高海霞 Email: hxgao ICCAD版图.2 集成电路设计与制造的主要流程框架 设计 芯片检测 单晶、外 延材料 掩膜版 芯片制造 过程 封装测试 系统需求 ICCAD版图.3 设计创意 + 仿真验证 功能要求 行为设计（VHDL） 版图数据输出 是 行为仿真 综合、优化网表 时序仿真 版图设计 后仿真 否 是 否 否 是 集成电路的设计过程 集成电路设计 的最终输出是 掩膜版图，通 过制版和工艺 流片可以得到 所需的集成电 路。 ICCAD版图.4 集成电路设计 制版 流水加工 划片 封装 封装后的芯片
2、裸片die 硅圆片 Wafer 掩膜版 MASK 版图 layout 集成电路的制造过程 ICCAD版图.5 芯片加工：从版图到裸片 制版 加工 是一种多层平面“印刷”和叠加过程。 集成电路版图的作用 ICCAD版图.6 所设计的版图 集成电路版图的作用 ICCAD版图.7 加工后得到的实际芯片版图 集成电路版图的作用 ICCAD版图.8 内容提要 q双极集成电路工艺的基本流程 q双极IC中的基本元器件 qCMOS集成电路工艺的基本流程 q集成电路版图设计规则 ICCAD版图.9 一、双极集成电路工艺的基本流程 集成电路技术的核心 PN结：集成电路和半导体器件的各类特性都是PN结相互 作用的结
3、果；如果通过某种方法使得半导体中一部分区 域为p型，另一部分区域为n型，即将p型半导体与n型半 导体制作在同一硅片上，则在其交界面就形成PN结。 由于半导体器件和集成电路是由不同的n型和p型区域组 合构成的，因此，以掺杂为手段，通过补偿作用形成不 同类型半导体区域是制造半导体器件的基础。 选择性掺杂是集成电路制造技术的核心。 ICCAD版图.10 实现选择性掺杂的三道基本工序 (1)氧化：在温度为8001200度的氧气中使半导体表面形成 SiO2薄层。作为阻挡层，在硅片表面没有SiO2层的区域才允 许掺杂原子进入硅片，从而改变硅的性质，而硅上覆盖有 SiO2层的区域就起阻挡层作用，阻挡杂质原子
4、进入硅片。 SiO2薄膜在集成电路中的作用：作为对杂质选择扩散的掩膜；作为MOS 器件的绝缘栅材料；作为器件表面的保护（钝化）膜；作为绝缘介质和 隔离介质，如器件之间的隔离，层间隔离；作为集成电路中电容器元件 的介质。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.11 实现选择性掺杂的三道基本工序 (2)光刻：有选择地去除SiO2层。借助于掩膜版，并利用 光敏抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄 膜上制备出合乎要求的图形，实现掩膜版图形到硅片表 面各种薄膜上图形的转移。光刻工艺需使用掩膜版生成 合适的图形。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.12 实现选择性掺杂的三道
5、基本工序 (3)掺杂：在半导体基片的一定区域掺入一定浓度的杂 质元素，形成不同类型的半导体层，来制作各种器件。 掺杂工艺主要有两种：扩散和离子注入。 扩散：在热运动的作用下，物质的微粒都有一种从高浓 度的地方向低浓度的地方运动的趋势。在IC生产中，扩 散的同时进行氧化。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.13 q按照制造器件的结构不同可以分为： 双极型：由电子和空穴这两种极性的载流子作为在有 源区中运载电流的工具。 MOS型：PMOS工艺、NMOS工艺、CMOS工艺 BiCMOS集成电路：双极与MOS混合集成电路 q按照MOS的栅电极的不同可以分为： 铝栅工艺、硅栅工艺（CMOS
6、制造中的主流工艺） q按照CMOS工艺的不同可以分为： P阱工艺、N阱工艺、双阱工艺 工艺类型简介 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.14 制备NPN晶体管的工艺流程 (1) 基区氧化：原始材料为N型硅片，将作为最终NPN 晶体管的集电区。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.15 制备NPN晶体管的工艺流程 (2) 基区光刻(3) 基区掺杂：采用扩散技术，掺入P 型杂质，通过补偿，使衬底的一部分 区域变为P型区，成为晶体管的基区 。同时表面又生成一层SiO2 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.16 制备NPN晶体管的工艺流程 (4) 发射区光刻：在基区
7、范 围内的SiO2层上光刻出一 个小窗口，确定发射区的 范围。 (5) 发射区掺杂：采用扩散掺 杂技术，掺入N型杂质，通 过补偿，使一部分P型基区 转变为N型，成为晶体管的 发射区。同时表面上又生成 一层SiO2 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.17 制备NPN晶体管的工艺流程 (6) 引线孔光刻：在基区和发 射区范围内分别刻出窗口 ，用于制备电极。 (7) 淀积金属：将用于形成电 极。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.18 制备NPN晶体管的工艺流程 (8) “反刻”：采用光刻技术，将用作为E电极和B电极的金属 保留，刻蚀掉其余部分。硅片背面通过金属化形成C极
8、。 构成晶体管管芯。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.19 制备NPN晶体管的工艺流程 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.20 IC管芯中的特殊问题 (1) 隔离 问题：由于集成电路中各种晶体管、二极管、电阻和电 容等都是制作在同一块硅片上的，采用常规NPN工艺，硅 片衬底即为集电区，同一硅片上制作的多个NPN晶体管， 集电区连在一起，显然不会与电路中元器件连接关系相一 致。因此先要使不同元件相互绝缘而成为各自独立的元件 ，然后再用金属导电膜将它们按照电路要求相互连接起来 。 解决方法：采用隔离技术，将不同元器件相互隔开。实 际生产中采用多种隔离方法。最简单的是P
9、N结隔离技术（ 运用PN结的单向导电性），将不同的元器件之间用背靠背 的PN结隔开，并且将其中的P区接至电路中的最低电位。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.21 衬底硅片(P型) 外延生长N型硅 隔离氧化 隔离光刻 隔离扩散 IC管芯中的特殊问题 PN结隔离工艺流程 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.22 IC管芯中的特殊问题 (2) NPN晶体管集电区埋层的引入： 因为在集成电路中各元件的端点都从上表面引出，并在 上表面实现互连，所以集电极电流在集电区是横向流动的 ，而为了保证集电结可以承受足够高的反向击穿电压，外 延层的电阻率又不能选得很低，这就形成较大的集电
10、极串 联电阻。为了减小集电极串联电阻，在晶体管的外延层和 衬底之间需要增加N+埋层。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.23 IC管芯中的特殊问题 (3) 元器件之间的互连：在NPN晶体管工艺中通过淀积金属 和反刻工艺形成晶体管电极引出区时，可以同时实现IC内 部的互连不增加工艺。 (4) 集成电路中的其他元器件：可以在形成NPN晶体管的同 时，生成IC中的其他元器件，例如电阻、电容、PNP晶体 管等。 结论：对采用PN结隔离的双极IC基本工艺，与制作NPN 晶体管的基本工艺相比，只需增加外延工艺，当然工艺步 骤要增加不少。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.24
11、PN结隔离双极IC工艺基本流程 衬底材料(P型硅) 埋层氧化埋层光刻埋层掺杂(Sb)- 外延 (N型硅)- 隔离氧化隔离光刻隔离掺杂(B) 基区氧化基区光刻基区掺杂(B)和发射区氧化 发射区光刻发射区掺杂(P)和氧化 引线孔光刻淀积金属化层 反刻金属互连线合金化 后工序 结论： PN结隔离双极IC基本工艺包括6次光刻。 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.25 PN结隔离双极IC中的NPN晶体管 一、双极集成电路工艺的基本流程 ICCAD版图.26 双极IC的工艺流程是按照构成NPN晶体管设计的。 在构造NPN晶体管的同时，生成IC中的其他元器件。 下面是一种典型的NPN晶体管结构
12、。 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.27 1. 其他NPN晶体管结构 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.28 2. 电阻： RRsL/W Rs称为方块电阻，可以由工艺控制。 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.29 3. 电容：可以采用两种结构类型。 MOS结构 PN结电容结构 (Metal-Oxide-Semiconductor) 二、双极IC中的基本元器件 P ICCAD版图.30 二、双极IC中的基本元器件 4. 二极管 可以采用NPN晶体管的不同接法 构成二极管。例如： (1)用BC结，发射极开路； (2)用EB结，集电极开路； (3)用EB结，BC短路；
13、 (4)用BC结，EB短路； (5)用BC结，CE短路； (6)单独BC结(无发射区掺杂)。 不同接法构成的二极管，其击穿 电压、结电容等电参数各不相同。 ICCAD版图.31 5. 横向PNP晶体管 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.32 6. 纵向PNP晶体管(注意：其集电区即为衬底材料，与 隔离墙相连) 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.33 说明：版图中只采用了NPN晶体管、二极管和电阻。 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.34 小结：集成化线路的特点(以双极IC为例) (1) IC中制备大容量的电容比较困难，高阻值电阻精度差 ，因此放大电路中多以差分对为
14、基本单元，同时采用恒流源 、有源负载等电路结构。 (2)双极IC工艺流程是围绕如何使NPN晶体管具有最佳特 性安排的，在这同时形成其他元器件。因此双极IC中PNP晶 体管特性比NPN晶体管特性差得多，例如PNP晶体管的电 流放大系数只有几到20左右。一般情况下尽量少用PNP晶 体管。如果需要特性好的PNP晶体管，就要增加工艺流程。 二、双极IC中的基本元器件 ICCAD版图.35 二、双极IC中的基本元器件 小结：集成化线路的特点(以双极IC为例) (3) 由于下述原因，集成化电路中应少用电阻、电容，尽 量改用晶体管。 *双极IC中制备NPN晶体管比制备电阻、电容要方便经 济得多(晶体管占用面
15、积小)。 *晶体管参数一致性和对称性都很好。 *容易实现各种特殊的晶体管结构，如复合晶体管、达 林顿晶体管、可控增益PNP晶体管等。 (4) IC工艺中制备的电阻阻值绝对误差大,但是电阻阻值 之比的精度比阻值绝对值的精度好一个数量级。设计电路 时，应尽量使电路特性与阻值之比关系密切，而与阻值大 小的关系较弱。 ICCAD版图.36 三、CMOS集成电路工艺流程 以以CMOSCMOS反相器电路为例，介绍使用较多的反相器电路为例，介绍使用较多的n n阱阱CMOSCMOS工艺的基本流程。工艺的基本流程。 1 1、n n阱生成阱生成 采用采用p p型硅圆片作为型硅圆片作为CMOSCMOS器件的衬底，因此器件的衬底，因此n n沟沟MOSMOS晶体管直接在衬底上晶体管直接在衬底上 制作。为了制作制作。为了制作CMOSCMOS中的中的p p沟沟MOSMOS晶体管，需要按下述步骤生成晶体管，需要按下述步骤生成n n阱。阱。 (1) (1) 氧化：在氧化：在p p型硅衬底晶片上生长一层二氧化硅层。型硅衬底晶片上生长一层二氧化硅层。 (2) (2) 光刻光刻1 1：n n阱光刻，在氧化层上刻蚀出进行
