集成电路版图设计

第一章集成电路工艺基础及版图设计1.1引言1.2集成电路制造工艺简介1.3版图设计技术1.4电参数设计规则集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计者可以不去深入研究，但是有必要了解芯片设计中的工艺基础知识，才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说，更多关注的是工艺制造的能力，而不是工艺的具体实施过程。由于SOC的出现，给IC设计者提出了更高的要求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系统、电路，也要懂工艺、制造。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集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架From吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Singoff—设计业——制造业—芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA集成电路芯片的显微照片1、电阻率：从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：金属：ρ0.001Ω·cm半导体：ρ=0.001Ω·cm~10E9Ω·cm绝缘体：ρ10E9Ω·cm制造集成电路所用的材料主要包括硅（Si）、锗（Ge）等半导体，以及砷化镓（GaAs）、铝镓砷（AlGaAs）、铟镓砷（InGaAs）等半导体的化合物，其中以硅最为常用。1.1引言1.IC制造基本原理2．导电能力随温度上升而迅速增加一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常明显。金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的，实际参与导电的是自由电子。晶格是一直振动的，和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于晶格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温度越高，晶格震动越强烈，所以它的阻碍效应就越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。对于半导体，它不像金属那样有很多自由电子，它的电子基本都被束缚在原子核上。所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电子获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从而成为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参与导电的粒子就越多，电阻就越小。1.1引言1.IC制造基本原理3．半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：＝21400Ω·cm如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。1.1引言1.IC制造基本原理6、P型和N型半导体两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子的浓度在室温下：T＝300K当硅中掺入Ⅴ族元素P时，硅中多数载流子为电子，这种半导体称为N型半导体。施主杂质)/1(10*6.1310cmnpnincm22101(/)当硅中掺入Ⅲ族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为P型半导体。受主杂质)/1(1022cmp1.1引言1.IC制造基本原理2.工艺类型简介按所制造器件结构的不同，可把工艺分为双极型和MOS型两种基本类型。双极工艺制造的器件，它的导电机理是将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，这也是它被称为双极工艺的原因。MOS工艺又可分为单沟道MOS工艺和CMOS工艺。单沟道MOS工艺又可分为PMOS工艺和NMOS工艺。2.工艺类型简介根据工序的不同,可以把工艺分成三类：前工序、后工序及辅助工序。1)前工序前工序包括从晶片开始加工到中间测试之前的所有工序。前工序结束时，半导体器件的核心部分——管芯就形成了。前工序中包括以下三类工艺：（1）薄膜制备工艺：包括氧化、外延、化学气相淀积、蒸发、溅射等。（2）掺杂工艺：包括离子注入和扩散。（3）图形加工技术：包括制版和光刻。2.工艺类型简介2)后工序后工序包括从中间测试开始到器件完成的所有工序,有中间测试、划片、贴片、焊接、封装、成品测试等。3)辅助工序前、后工序的内容是IC工艺流程直接涉及到的工序，为保证整个工艺流程的进行，还需要一些辅助性的工序，这些工序有：（1）超净环境的制备：IC，特别是VLSI的生产，需要超净的环境。（2）高纯水、气的制备：IC生产中所用的水必须是去离子、去中性原子团和细菌，绝缘电阻率高达15MΩ·cm以上的电子级纯水；所使用的各种气体也必须是高纯度的。（3）材料准备：包括制备单晶、切片、磨片、抛光等工序，制成IC生产所需要的单晶圆片。集成电路工艺分类：单片集成电路：硅平面工艺薄膜集成电路：薄膜技术厚膜集成电路：丝网印刷技术单片集成电路工艺单片集成电路工艺利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术，在一小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件按需要互连成完整电路，制成半导体单片集成电路。集成电路是经过很多道工序制成的。其中最基础的工艺有：生产所需类型衬底的硅圆片工艺；确定加工区域的光刻工艺；向芯片中增加材料的氧化、淀积、扩散和离子注入工艺；去除芯片上的材料的刻蚀工艺。集成电路的制造就是由这些基础工艺的不同组合构成的。1.2集成电路制造工艺简介1.2.1.硅圆片工艺晶片:只含有极少“缺陷”的单晶硅衬底圆片。“CZ法”生长单晶硅目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky)拉晶法(CZ法)。将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中，然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果，就形成圆柱形的大单晶棒。生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获得期望的电阻率。晶圆尺寸：４寸是１００ＭＭ８寸是标准的２００ＭＭ１２寸是标准的３００ＭＭ200mm商用直拉单晶硅切割后、加工过电路的硅圆片单晶硅棒(400mm)大单晶棒切成薄的圆片（wafer）在大多数CMOS工艺中，圆片的电阻率为0.05到0.1Ω•cm，厚度约为500到1000微米。chip半导体产业向前发展的两大启动点:不断扩大晶圆尺寸和缩小芯片特征尺寸12英寸晶圆所容裸芯片数是8英寸晶圆的2．5倍，所以12英寸晶圆比8英寸晶圆节省30％成本，采用12英寸晶圆的每个芯片所耗能量、水量比8英寸少40％。2002年12英寸晶圆制造设备量产，2008年全球拥有85条12英寸晶圆生产线.半导体产业向前发展的两大启动点:不断扩大晶圆尺寸和缩小芯片特征尺寸同样使用0.13微米的制程在300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。然而，硅晶圆在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。目前Intel的300mm尺寸硅晶圆厂可以做到0.065μm（65纳米）的蚀刻尺寸。1.2.2氧化工艺（Oxidation）－在硅片表面生成一层二氧化硅膜集成电路的基础工艺技术是平面技术，首先将硅表面氧化，然后根据各元器件图形在二氧化硅膜上开设窗口，通过该窗口进行定域操作。多次实施这种平面工艺，在硅片表面形成各种平面的元器件以及互连。这种技术之所以能实施的关键在于：能比较容易地获得适应这些工艺的优质的二氧化硅膜，即可以在硅表面生成非常均匀的氧化层而几乎不在晶格中产生应力。MOS是MetalOxideSemiconductorSilicon的缩写。1957年，人们在研究半导体材料的特性时发现二氧化硅层具有阻止杂质侵入的作用。这一发现直接导致了平面工艺技术的出现。1.2.2氧化工艺（Oxidation）－在硅片表面生成一层二氧化硅膜1、SiO2薄膜在集成电路中的作用在集成电路的制作过程中，要对硅反复进行氧化，制备SiO2薄膜。SiO2薄膜在集成电路的制作过程中，主要有下列作用：光刻掩蔽膜(选择扩散的掩蔽层，离子注入的阻挡层)MOS管的绝缘栅材料（gateoxide)，高质量要求电路隔离介质或绝缘介质，包括多层金属间的介质电容介质材料器件表面保护或钝化膜隔离氧化膜Fieldoxide2.热氧化原理与方法生长SiO2薄膜的方法有多种，如热氧化、阳极氧化、化学气相淀积等。其中以热氧化和化学气相淀积（CVD）最为常用。（1）热氧化：热氧化生成SiO2薄膜是将硅片放入高温（1000～1200°C）的氧化炉内，然后通入氧气，在氧化环境中使硅表面发生氧化,生成SiO2薄膜。热氧化示意图流量控制硅片滤气球二通氧化炉石英管温度控制温度控制O2根据氧化环境的不同，又可把热氧化分为干氧法和湿氧法两种。干氧法：如果氧化环境是纯氧气，这种生成SiO2薄膜的方法就称为干氧法。机理：氧气与硅表面的硅原子在高温下以Si+O2=SiO2式反应，生成SiO2薄膜。优点：SiO2薄膜结构致密,排列均匀,重复性好，不仅掩蔽能力强,钝化效果好，而且在光刻时与光刻胶接触良好，不宜浮胶。缺点：生长速度太慢。湿氧法：如果让氧气先通过95°C的去离子水，携带一部分水汽进入氧化炉，则氧化环境就是氧气加水汽，这种生成SiO2薄膜的方法就是湿氧法。机理:湿氧法由于氧化环境中有水汽存在，所以氧化过程不仅有氧气对硅的氧化作用，还有水汽对硅的氧化作用，即Si+O2=SiO2Si+2H2O=SiO2+2H2↑氧化环境中含有水汽，水汽和SiO2薄膜也能发生化学反应，生成硅烷醇（Si-OH），即SiO2+H2O→2（Si-OH）特点：速度快、质量差2.热氧化原理与方法热氧化示意图流量控制硅片滤气球二通氧化炉石英管温度控制温度控制O2（2）化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition)：指使一种或数种化学气体以某种方式激活后在衬底表面发生化学反应，从而在衬底表面生成所需的固体薄膜。用化学气相淀积法生成SiO2薄膜，主要是用硅烷（SiH4）与氧按SiH4+2O2→SiO2↓+2H2O反应，或用烷氧基硅烷分解生成SiO2薄膜。二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源低温CVD氧化层：低于500℃中等温度淀积：500～800℃高温淀积：900℃左右淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。采用在700°C的高温下，使其分解：SiH42~427000HSiSiHC利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃)PECVD方法淀积化学汽相淀积(CVD)CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等（化学气相淀积的种类有常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、等