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1、VLSI设计基础,第3章 工艺与设计接口 (2010-2010),(2),本章概要:,设计与工艺接口问题 工艺抽象 电学设计规则 几何设计规则 工艺检查与监控,基本问题,设计与仿真依据,工艺监控和提模手段,(3),3.1 设计与工艺接口问题,基本问题工艺线选择 设计的困惑 设计与工艺接口,.1,(4),3.1.1 基本问题工艺线选择,一条成熟的工艺线,各项工艺参数都是一定的,不允许轻易变更,而这些参数往往就成为我们设计的制约因素。 因此,设计之初必须考虑:这条工艺线对我的设计是否合适。,.1,设计之初的重要问题:选择工艺和工艺线,(5),3.1.2 设计的困惑,电参数: 应用萨方程 衬偏效应(
2、系数) 上升、下降时间(负载电容) 迁移率比值 版图参数: 尺寸 间距 太多的不确定,工艺线能否提供这些参数?,.1,(6),3.1.3 设计与工艺接口,工艺线提供电学设计和版图设计的规则,形成设计规则文件。 工艺线提供工艺加工质量的监测方法,形成PCM(Process Control Monitor)。 这些构成清晰地接口:设计与工艺接口。这个接口同时也成为了设计与工艺的共同制约,成为设计与工艺双方必须共同遵守的规范。,.1,(7),3.2 工艺抽象,工艺对设计的制约、工艺抽象的意义 工艺抽象 对材料参数的抽象 对加工能力的抽象 得到以电学参数和几何参数描述的工艺数据,设计者不再看到诸如掺杂
3、浓度、结深、氧化层厚度等工艺技术范畴的专业术语。,.2,(8),3.2.1 工艺对设计的制约,最小加工尺寸对设计的制约(特征尺寸与最大面积) 电学参数对设计的制约 标准工艺流程对特殊工艺要求的制约 工艺参数设计参数(电参数、几何参数),.2,(9),3.2.2 工艺抽象,掺杂浓度以薄层电阻RS描述:,.2,掺杂浓度,掺杂深度,(10),3.2.2 工艺抽象,氧化层(绝缘层)厚度以单位面积电容C0描述:,.2,(11),3.2.2 工艺抽象,重要参数阈值电压描述了衬底掺杂浓度,氧化层厚度,氧化层中含有的电荷性质与数量,以及多晶硅(或金属)与衬底的功函数差。 阈值电压包括了栅区阈值电压和场区阈值电
4、压。,.2,导电薄膜参数以薄层电阻描述。,(12),3.2.2 工艺抽象,.2,版图设计规则是一组几何尺寸,是对加工精度(如最细线条);寄生效应(如寄生晶体管);特性保障(如可控硅效应抑制);加工质量控制(如成品率)等多方面的抽象。,(13),3.3 电学设计规则,.3,电学设计规则提供了一组用于电路设计分析的参数,这些参数来源于具体工艺线,具有很强的针对性。 如果设计所采用的电学参数来源不是将来具体制作的工艺线,则仿真分析的结果没有实际意义。 电学设计规则被分为两个主要部分:器件模型参数和寄生提取所需的电学参数。,(14),3.3.2 器件模型参数,.3,模型参数示例:,(15),3.3.3
5、 模型参数的离散及仿真方法,.3,设计时必须考虑工艺的离散对性能的影响,(16),3.4 几何设计规则,.4,几何设计规则给出的是一组版图设计的最小允许尺寸,设计者不能突破这些最小尺寸的限制,也就是说,在设计版图时对这些位置的版图图形尺寸,只能是大于或等于设计规则的描述,而不能小于这些尺寸。,(17),3.4.1 几何设计规则描述,.4,描述方法:一是以最小单位的倍数表示,几何设计规则中的所有数据都以的倍数表示,如3、5。是最小沟道长度L的一半,是具体的数值。这种描述方法称为设计规则。二是用具体的数值进行描述,数值单位是微米,被称为微米设计规则。,(18),3.4.1 几何设计规则描述,.4,
6、表3.4 掩膜板层描述,(19),3.4.1 几何设计规则描述,.4,表3.6 有源区设计规则,(20),3.4.2 一个版图设计的例子,.4,(21),3.5 工艺检查与监控,.5,工艺加工完成后,接下来的工作就是检查制作的质量,验证设计的正确性。 验证设计正确性的测试技术将在第7章介绍。 在本节中主要讨论如何进行工艺质量检查和监控,通过什么手段与技术确认产品加工失效的原因。,(22),3.5.1 PCM(Process Control Monitor),.5,PCM是一组测试结构,主要用于检测工艺加工质量,提取相关参数。 PCM测试结构主要包括了四个方面: 工艺加工质量评估 DC测试 AC
7、测试 少量功能器件测试结构 PCM还作为提取器件模型参数的手段被广泛使用。,(23),3.5.1 PCM,.5,(24),.5,互连线的参数(INTERCONNECT PARAMETERS): 薄层电阻(Sheet Resistance )(金属、多晶硅、有源区等) 接触电阻(Contact Resistance) 线宽偏差(Delta Line Width)(金属和多晶硅) 台阶覆盖(STEP COVERAGE): 梳齿结构(Comb Isolation)(金属和多晶硅) 折弯结构(Serpentine Continuity) 晶体管特性(TRANSISTOR CHARACTERISTICS
8、): 晶体管阈值电压(Transistor Threshold Voltage) 本征导电因子,导电因子(Process Gain, Kp (beta/2)) Gamma()系数 (body effect coefficient) 饱和电流(Saturation Current) 沟道穿通电压(Channel Punch-through Voltage) PN结击穿(Junction Breakdown) 厚栅氧(场区氧化层)晶体管(FIELD OXIDE TRANSISTORS): 阈值电压(Threshold) 倒相器(INVERTERS): 输出高电平(Vout, high) 输出低电平
9、(Vout, low) 倒相器阈值(Inverter Threshold (Vinv)) 倒相器阈值处的增益(Gain at Inverter Threshold) 电容(CAPACITORS): 平板电容(Area Capacitance) 边缘电容(Fringe Capacitance) 环行振荡器(RING OSCILLATOR): 频率(Frequency),PCM部分测试参量,(25),3.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例1:薄层电阻测量,基于范德堡(Van der Pauw)原理 。 测量过程: 在相邻的两个臂间注入电流IF(如A-B); 测量另两臂间电压(如C-D,得VCD); 旋转90度,再注入电流IF(B-C); 再测量电压(A-D,得VAD)。,薄层电阻,设计工程师只关心电参量测试结果,(26),3.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例2:本征导电因子测量,外推阈值电压测量,由外推阈值电压测量曲线获得。 由萨方程 可知:外推直线斜率 可得本征导电因子。,(27),本章阐述设计与工艺接口:,.5,工艺对设计的制约 工艺抽象几何设计规则 工艺抽象电学规则、器件模型 工艺监控与参数提取PCM,