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1、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n微电子技术发展动态nCMOS工艺和版图nCMOS设计规则n版图验证n布局布线算法21.微电子技术发展动态3规模速度1/功耗器件: 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设计: 布图布线人们对集成电路的要求 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018-013m，芯片的集成度达到108-109量级，研究成果已提高到01m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009m、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
2、4000个、工作电压09-12V、工作频率2-25GHz，功率160瓦。到2010年，将提高到007m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。 5n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
3、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)。 6n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。 7集成
4、系统芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术：n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；nIP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；
5、n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 8n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。 9其技术突破的关键点有以下几个方面 n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007m阶段，曝光技术还是一个问题，预计再有12年左右时间可获突破。在65nm
6、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。 10n铜互连技术 铜互连技术已在018m和013m技术代中使用，但是在010m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。 11n20nm以下浅结与掺杂工程技术 n亚50纳米半导体器件的器件模型和新型器件结构 n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RRP
7、ROM、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。n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。n组装和封装技术 12练习及思考:n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）n什么是SOC? 其三个关键支撑技术是什么?n什么是摩尔定理? 你认为摩尔定理是否永 远有效?n当前微细加工的技术发展趋势是什么?132. CMOS工艺
8、和版图14151617CMOS CMOS：Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor互补对称金属氧化物半导体特点：低功耗VSSVDDVoViCMOS倒相器PMOSNMOSI/OI/OVDDVSSCC CMOS传输门18N-SiP+P+n+n+ P-阱DDVoVGVSSSSVDDCMOS倒相器截面图CMOS倒相器版图19pwellactivepolyN+ implantP+ impantomicontactmetalA NMOS Example20pwellPwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontac
9、tMetal21Ntype SiSiO2光刻胶光MASK Pwell22Ntype SiSiO2光刻胶光刻胶MASK Pwell23Ntype SiSiO2光刻胶光刻胶SiO224Ntype SiSiO2SiO2Pwell25pwellactivePwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontactMetal26Ntype SiSiO2PwellSiO2光刻胶MASK activeMASK ActiveSi3N427Ntype SiSiO2PwellSiO2光刻胶光刻胶MASK activeMASK ActiveSi3N428Ntype SiSiO2Pwel
10、lSiO2光刻胶光刻胶Si3N429Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧PwellSi3N430Ntype SiSiO2Pwell场氧场氧场氧Pwell31Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Pwellpoly32activepwellpolyPwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontactMetal33Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK poly场氧场氧场氧Pwellpoly光刻胶34Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK poly场氧场氧场氧Pwell光刻胶poly35Ntype SiS
11、iO2PwellSiO2场氧场氧场氧Pwellpoly36Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Pwellpoly37activepwellpolyN+ implantPwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontactMetal38Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK N+场氧场氧场氧Pwellpoly光刻胶39Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Pwell光刻胶polyN+ implantS/D40activepwellpolyP+ impantPwellActivePolyN+ implantP+ imp
12、antOmicontactMetal41Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK N+场氧场氧场氧Pwellpoly光刻胶光S/D42Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧PwellS/Dpoly光刻胶P+ implantP+ 接触43Ntype SiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧PwellpolyS/DP+ 接触44activepwellpolyP+ impantN+ implantomicontactPwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontactMetal45Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK Om
13、icontact场氧场氧场氧PwellpolyS/DP+ 接触46activepwellpolyN+ implantomicontactmetalPwellActivePolyN+ implantP+ impantOmicontactMetal47Ntype SiSiO2PwellSiO2MASK metal场氧场氧场氧PwellpolyS/DP+ 接触metalmetalmetal48版图识别N-SiP+P+n+n+ P-阱DDVoVGVSSSSVDDCMOS倒相器截面图CMOS倒相器版图VSSVDDVoViCMOS倒相器PMOSNMOS49基本原则: 首先确定较简单的, 较容易确定的图形
14、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.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器件多晶跨过 许多同心 矩形图形, 一般就是 器件多晶(poly)多晶一般和金属图形特点类似, 但一般较短. 52NMOS对于标准的 Pwell CMOS工艺 而言, NMOS外会多出一个图 形:pwellPMOS53有源区54PSDPimplantNSDNimplant55P管场注P管沟阻N管场注N管沟阻Pwell56n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
15、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 ） 例157孔金属多晶5859606162636465663. CMOS设计规则67686970717273747576n(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。 77n请简要说明CIF，EDIF，GDS的意义及 用途。 7879超大规模集成电路布图理论与算法, p3280相关的一些
16、简单问题n寄生效应n互联问题n电阻计算n电容计算81寄生效应8283互联问题848586电阻计算8788电容计算89n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）90n（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。n（4分）对付寄生参数，经常采用的方法 有：使用导电性能好的来代 替A1；使用介电常数的材料 来减小电容；降低以减少晶 格散射和电子空穴的离散活动；规划 层数。 91n（5分）在版图设计中，如果用户要求一 些例如圆、环、椭圆或一些弯头（两端尺 寸不等）等曲线组成的图案。我们可以选 某些工具在计算机显示器上显示出来。若 要将此图送去制版时，必须转为图形发生
