课程 IC原理CMOS数字IC的图设计.pptx

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1、1目录8.1 CMOS IC 版图设计技巧 8.2 硅栅CMOS 版图和工艺的关系8.3 CMOS电路版图举例第1页/共67页2 8.1 CMOS IC 版图设计技巧 1、布局要合理（1）引出端分布是否便于使用或与其他相关电路兼容，是否符合管壳引出线排列要求。（2）特殊要求的单元是否安排合理，如p阱与p管漏源p+区离远一些，使寄生PNP管 pnp，抑制Latch-up效应，尤其是输出级更应注意。（3）布局是否紧凑，以节约芯片面积，一般尽可能将各单元设计成方形。（4）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温度分布是否合理。第2页/共67页3 2、单元配置恰当 （1）芯片面积降低10%，管芯成品率

2、/圆片 可提高15 20%。（2）多用并联形式，如或非门，少用串联形式，如与非门。（3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨导管采用条状图形，使图形排列尽可能规整。第3页/共67页4 3、布线合理 布线面积往往为其电路元器件总面积的几倍，在多层布线中尤为突出。扩散条/多晶硅互连多为垂直方向，金属连线为水平方向，电源地线采用金属线，与其他金属线平行。长连线选用金属。多晶硅穿过Al线下面时，长度尽可能短，以降低寄生电容。注意VDD、VSS布线，连线要有适当的宽度。容易引起“串扰”的布线（主要为传送不同信号的连线），一定要远离，不可靠拢平行排列。第4页/共67页5 4、CMOS电路版图设计对布线和接触孔的

3、特殊要求（1）为抑制Latch up，要特别注意合理布置电源接触孔和VDD引线，减小横向电流密度和横向电阻RS、RW。采用接衬底的环行VDD布线。增多VDD、VSS接触孔，加大接触面积，增加连线牢固性。对每一个VDD孔，在相邻阱中配以对应的VSS接触孔，以增加并行电流通路。尽量使VDD、VSS接触孔的长边相互平行。接VDD的孔尽可能离阱近一些。接VSS的孔尽可能安排在阱的所有边上（P阱）。第5页/共67页6（2）尽量不要使多晶硅位于p+区域上多晶硅大多用n+掺杂，以获得较低的电阻率。若多晶硅位于p+区域，在进行p+掺杂时多晶硅已存在，同时对其也进行了掺杂导致杂质补偿，使多晶硅。（3）金属间距应

4、留得较大一些（3 或4）因为，金属对光得反射能力强，使得光刻时难以精确分辨金属边缘。应适当留以裕量。第6页/共67页7 5、双层金属布线时的优化方案 （1）全局电源线、地线和时钟线用第二层金属线。（2）电源支线和信号线用第一层金属线（两层金属之间用通孔连接）。（3）尽可能使两层金属互相垂直，减小交叠部分得面积。第7页/共67页81.阱做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管和N管的衬底2.有源区做晶体管的区域（G、D、S、B区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层3.多晶硅做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅 4.有源区注入P+、N+区（select)。做源漏及阱或衬底连接区的

5、注入5.接触孔多晶硅，注入区和金属线1接触端子。6.金属线1做金属连线，封闭图形处保留铝7.通孔两层金属连线之间连接的端子8.金属线2做金属连线，封闭图形处保留铝 8.2 硅栅CMOS 版图和工艺的关系第8页/共67页9N wellP well CMOS反相器版图流程(1)1.阱做N阱和P阱封闭图形，窗口注入形成P管和N管的衬底第9页/共67页10N diffusion CMOS反相器版图流程(2)2.有源区做晶体管的区域（G、D、S、B区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层第10页/共67页11P diffusion CMOS反相器版图流程(2)2.有源区做晶体管的区域（G、D、

6、S、B区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层第11页/共67页12Poly gate CMOS反相器版图流程(3)3.多晶硅做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅 第12页/共67页13N+implant CMOS反相器版图流程(4)4.有源区注入P+，N+区（select)。第13页/共67页14P+implant CMOS反相器版图流程(4)4.有源区注入P+、N+区（select)。第14页/共67页15contact CMOS反相器版图流程(5)5.接触孔多晶硅，注入区和金属线1接触端子。共用栅NMOS漏NMOS源PMOS漏PMOS源NMOS源接VSS孔PMOS源接VD

7、D孔第15页/共67页16Metal 1 CMOS反相器版图流程(6)6.金属线1做金属连线，封闭图形处保留铝 inoutVssVDD第16页/共67页17via CMOS反相器版图流程(7)7.通孔两层金属连线之间连接的端子第17页/共67页18Metal 2 CMOS反相器版图流程(8)8.金属线2做金属连线，封闭图形处保留铝inputoutput第18页/共67页19VDDGND VDDGNDinverter：Schematic:Layout:inputoutputm1m2m2m1 第19页/共67页20 1.有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，金属和多晶连线多做在场区上。2.有源

8、区和P+,N+注入区的关系：有源区即无场氧化层，在这区域中可做N型和P型各种晶体管，此区一次形成。3.至于以后何处是NMOS晶体管，何处是PMOS晶体管，要由P+注入区和N+注入区那次光刻决定。4.有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和P+注入区交集处即形成P+有源区，P+注入区比所交有源区要大些。须解释的问题：第20页/共67页215.有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和N+注入区交集处即形成N+有源区，N+注入区比所交有源区要大些。6.两层半布线 金属，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）。三层布线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得

9、注入有源区连线断开。7.三层半布线 金属1，金属2，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）。四层线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得注入有源区连线断开。第21页/共67页228.3 CMOS电路版图举例 1)典型N阱CMOS工艺的剖面图2)Simplified CMOS Process Flow3)铝栅、硅栅MOS器件的版图4)CMOS电路版图举例 第22页/共67页23 1)典型N阱CMOS工艺的剖面图源硅栅漏薄氧化层金属场氧化层p-阱n-衬底（FOX）低氧第23页/共67页24CMOS processp+p+p-第24页/共67页2

10、5Process(Inverter)p-subP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactN-wellGND低氧场氧p-subp+InVDDS G DD G S图例第25页/共67页26Layout and Cross-Section View of InverterInTop View or LayoutCross-Section ViewP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactVDDGNDGNDOutVDDInver

11、terInOutN-well图例第26页/共67页27Process field oxidefield oxidefield oxide第27页/共67页282)Simplified CMOS Process FlowCreate n-well and active regionsGrow gate oxide(thin oxide)Deposit and pattern poly-silicon layerImplant source and drain regions,substrate contactsCreate contact windows,deposit and pattern

12、metal layers第28页/共67页29N-well,Active Region,Gate OxideCross Sectionn-wellTop ViewS G DD G SMetalMetalMetalPolysiliconn+p+VDDVSSpMOSFETnMOSFET第29页/共67页30Poly-silicon Layer Top ViewCross-Section第30页/共67页31N+and P+RegionsTop ViewOhmic contactsCross-Section第31页/共67页32SiO2 Upon Device&Contact EtchingTop

13、ViewCross-Section第32页/共67页33Metal Layer by Metal EvaporationTop ViewCross-Section第33页/共67页34A Complete CMOS InverterTop ViewCross-Section第34页/共67页35DiffusionSiO2FETPolysilicon第35页/共67页36Transistor-LayoutDiffusionPolysilicon第36页/共67页37layersN-DiffusionPoly-siliconMetal 1Metal 2SiO2SiO2SiO2P-Diffusion

14、第37页/共67页38Via and ContactsDiffusionMetal 2SiO2SiO2PolysiliconMetal-Diff ContactMetal-Poly ContactSiO2ViaMetal 1第38页/共67页39Inverter ExampleMetal-nDiff ContactMetal-Poly ContactViaVDDGNDVDDMetal 2Metal 1 Metal-nDiff ContactGND第39页/共67页403)铝栅、硅栅MOS器件的版图硅栅MOS器件铝栅MOS器件第40页/共67页414)MOS电路版图举例(1)铝栅CMOS电路版图

15、设计规则(2)铝栅MOS工艺掩膜版的说明(3)铝栅工艺CMOS版图举例(4)硅栅MOS器件工艺的流程(5)硅栅工艺MOS电路版图举例(6)RS触发器第41页/共67页42(1)铝栅CMOS电路版图设计规则第42页/共67页43p+Al1n+图1的说明a 沟道长度 3b GS/GD覆盖c p+，n+最小宽度3d p+，n+最小间距3e p阱与n+区间距2f 孔距扩散区最小间距 2g Al覆盖孔孔 2 3或 3 3h Al栅跨越p+环i Al最小宽度4j Al最小间距3第43页/共67页44Source/Drain:Photomask(dark field)Clear GlassChromiumC

16、ross Section(2)铝栅MOS工艺掩膜版的说明第44页/共67页45Gate:Photomask(dark field)Clear GlassChromiumCross Section第45页/共67页46Contacts:Photomask(dark field)Clear GlassChromiumCross Section第46页/共67页47Metal Interconnects:Photomask(light field)ChromiumClear GlassCross Section第47页/共67页48 (3)铝栅工艺CMOS反相器版图举例 图2为铝栅CMOS反相器版图

17、示意图。可见，为了防止寄生沟道以及p管、n管的相互影响，采用了保护环或隔离环：对n沟器件用p+环包围起来，p沟器件用n+环隔离开，p+、n+环都以反偏形式接到地和电源上，消除两种沟道间漏电的可能。第48页/共67页49图2 铝栅CMOS反相器版图示意图 图2 版图分解：1.刻P阱2.刻P+区/保护环3.刻n+区/保护带4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔P+区保护环n+区/保护带第49页/共67页503版图分解：1.刻P阱 2.刻P+区/环3.刻n+区4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔 第50页/共67页514版图分解：1.刻P阱 2.刻P+区/环3.

18、刻n+区4.刻栅、预刻接触孔5.刻接触孔6.刻Al 7.刻纯化孔第51页/共67页52(4)硅栅MOS器件工艺的流程刻有源区正胶正胶第52页/共67页53刻多晶硅与自对准掺杂Self-Align Doping第53页/共67页54刻接触孔、反刻铝 field oxide(FOX)metal-poly insulator thin oxide第54页/共67页55(5)硅栅NMOS反相器版图举例1、E/E NMOS反相器 刻有源区 刻多晶硅 刻接触孔 反刻Al 图5 E/E NMOS反相器版图示意图第55页/共67页56E/D NMOS 反相器 刻有源区刻耗尽注入区刻多晶硅刻PMOS管S、D刻N

19、MOS管S、D刻接触孔 反刻Al 图6 E/D NMOS 反相器版图 第56页/共67页57 硅栅CMOS与非门版图举例 刻P阱刻p+环刻n+环刻有源区刻多晶硅刻PMOS管S、D刻NMOS管S、D刻接触孔反刻Al 图7 硅栅CMOS与非门版图 第57页/共67页588第58页/共67页59硅栅P阱CMOS反相器版图设计举例5.刻NMOS管S、D6.刻接触孔7.反刻Al(W/L)p=3(W/L)n1.刻P阱2.刻有源区3.刻多晶硅栅4.刻PMOS管S、D第59页/共67页601.刻P阱2.刻有源区3.刻多晶硅栅第60页/共67页614.刻PMOS管S、D5.刻NMOS管S、D第61页/共67页62VDDVoViVss7.反刻Al6.刻接触孔VDDViVssVo第62页/共67页63光刻1与光刻2套刻光刻2与光刻3套刻第63页/共67页64光刻3与光刻4套刻光刻胶保护光刻4与光刻5套刻光刻胶保护刻PMOS管S、D刻NMOS管S、DDDSS第64页/共67页65光刻5与光刻6套刻VDDViVssVo光刻6与光刻7套刻VDDViVDDVoViVssVDDViVssVo第65页/共67页66ViVoT2 W/L=3/1T1 W/L=1/1PolyDiffAlconP阱ViVssVoVDD第66页/共67页67感谢您的观看！第67页/共67页