制造集成电路的版图基本知识

版图层次定义

 

N阱 N阱概念

如果制造集成电路的硅片掺杂了磷等施主杂质，则该类型的硅片称为n型硅；如果掺杂了硼等受主杂质，则该类型的硅片称为p型硅。 在制作CMOS集成电路时，N沟MOSFET（简称NMOS）直接制作在p衬底上；P沟MOSFET（简称PMOS）需要制作在N阱上。

实际上制造集成电路前，有些CMOS工艺需要先在硅片上生长一层外延层，以减少闩锁效应的影响。习惯上把外延层和原来的衬底都称作衬底。使用p衬底n阱的工艺称为N阱工艺。使用n衬底p阱的工艺称P阱工艺。 现代工艺出于牺牲PMOS性能来优化NMOS性能，所以大多数工艺都是N阱工艺；也有同时使用N阱和P阱的工艺，称为双阱工艺。 N阱和P衬底构成寄生二极管，在CMOS电路中衬底通常接最低点评，确保二极管处于反偏。

N阱的作用
主要作用制造PMOS； 掺杂浓度较低，电阻率较高，可用于制造电阻，称为阱电阻； N阱可以和衬底构成二极管，可用于制造寄生PNP管。

N阱制作
硅片涂胶后，通过N阱掩模版，将硅片放在光线下，通过显影去掉被光照的光刻胶； 氧化层生长

  曝光 在光刻胶工艺过程中，涂层曝光、显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来，该涂层材料为正性光刻胶； 此时的掩模版类似遮光板，绿色部分不透光，镂空的白色部分透光；

在光刻胶工艺过程中，涂层曝光、显影后，曝光部分被保留下来，而未曝光被溶解，该涂层材料为负性光刻胶。 此时的掩模版类似透明板，蓝色部分不透光，其余部分透光；

无论是哪种方式，核心思想都是制造一个区域，用以掺杂； 掺杂 将硅片暴露在施主原子下，施主杂质会被光刻胶挡住，同时通过光刻胶上的开孔扩散到开孔区域的硅片中；

 

去掉光刻胶，形成N阱 扩散到一定时间后，N阱的深度达到工艺期望值。 施主杂质不仅会沿垂直硅片的方向扩散（纵向扩散），也会在硅片中间向四周扩散（横向扩散），此特性跟N阱的设计规则密切相关。

 

  N阱制作流程图

 

 

 

  Layout图示

  有源区（薄氧区） 有源区概念
源区、漏区、沟道区合称MOS管的有源区，有源区之外的区域定义为场氧区（Fox）。有源区跟场氧区之和就是整个芯片表面，即 Active + Fox = Surface。 有源区叫Active，也叫diff 或 thin oxide。 有源区只要用于制造N型器件和P型器件，也可以用于金属1和衬底或阱的接触。从某种意义上说有源区的掩膜板主要用于打开离子注入的窗口。 实际上有源区掩膜板的意义在于作为制造硅局部氧化（LOCOS）和薄氧（封闭图形内形成薄氧，封闭图形外形成LOCOS）。
有源区制造

 

 

 

 

 

 

  LOCOS
LOCOS （Local Oxidation of Silicon：硅的局部氧化）：CMOS工艺最常用的隔离技术，以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化，在这种工艺中，除了形成有源晶体管的区域以外，在其它所有重掺杂硅区上均生长一层厚的氧化层，称为隔离或场氧化层。 缺点：常规的LOCOS工艺由于有源区方向的场氧侵蚀（SiN边缘形成类似鸟嘴的结构，称为“鸟喙效应”bird beak)和场注入的横向扩散。

这种侵蚀会影响MOSFET的沟道宽度，所以实际制造出来的器件的沟道长度会比版图所画的沟道长度小。现代工艺中0.25um以下特征尺寸的工艺一般不使用LOCOS做隔离，而是使用浅槽隔离（STI）。
  Layout图示

  多晶硅1（Poly1）
作用 最主要的作用是用于制造MOSFET的栅； Poly1和Poly2制造PIP电容（多晶硅1—绝缘层—Poly2）； Poly电阻； Poly互连（此时最大的问题是Poly的方块电阻数量级比较大）；  
栅极制作
晶体管中栅结构的制作是流程中最关键的一步，因为它包含了最薄栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的刻蚀，而多晶硅栅的宽度通常都是整个硅片上最关键的线宽。 栅氧化层的生长 > 多晶硅淀积 > 多晶硅掩模制作 > 多晶硅栅刻蚀

 

 

 

 

Poly跨过有源区时，源、漏和沟道自对准于栅，这也称为自对准工艺。 在不制作器件时，禁止多晶跨过有源区，避免产生寄生器件。 多晶在形成器件时，需要超过有源区一定距离，保证源漏不会发生短路。
  Layout图示

  P+/N+扩散区
有源区的掩膜板主要用于打开离子注入的窗口。而P+和N+扩散区的作用在于实现离子的注入，从而控制硅的掺杂类型。 多晶硅栅可以作为NMOS和PMOS的源/漏的自对准掩膜，注入可以按照任意顺序进行，可以先进行N型源漏的注入，也可以先进行P型源漏的注入。

 

 

  Layout图示

 

 

 

 

  Layout图示

  接触孔

接触的目的是在所有的硅的有源区和Poly形成金属接触，这层金属接触可以使硅和随后淀积的金属导电材料更加紧密的结合。   Layout图示

金属层（Metal）
接触孔硅化后，在晶圆上淀积掺铜的铝层，淀积金属后的晶圆涂上光刻胶并采用金属掩模版光刻，去除不需要的金属，形成互连结构。

  Layout图示

  通孔VIA
层间介质充当各层金属以及第一层金属与硅之间的介质材料。层间介质上有许多小的通孔，这些层间介质为相邻的金属层之间提供了电学通道。通孔中常用导电金属（比如钨）来填充，形成金属层间的电学通路。   简单反相器版图 N阱（TB）

 

有源区（TO）

 

Poly1（GT）

 

  Poly2阻挡层（IM）

 

  P+扩散区

 

N+扩散区

接触孔

 

金属层1

 

  通孔

 

  金属层2

 

编辑：黄飞