第三章 集成电路工艺基础及版图设计
第三章 CMOS集成电路工艺基础及版图设计
3.1 CMOS集成电路制造工艺简介 3.2 版图设计技术 3.3 九天软件进行版图设计
第三章 集成电路工艺基础及版图设计
3.1 CMOS集成电路制造工艺简介
集成电路的制造工艺包括衬底外延生长、掩膜制版、 光刻、掺杂、绝缘层、金属层形成等等。 CMOS工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术。 它是在PMOS和NMOS工艺基础上发展起来的。其特点 是将NMOS器件和PMOS器件制作在同一硅衬底上，一 般可分为三类，P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺和双 阱CMOS工艺。
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3.1.1 硅栅MOS工艺简介
硅除了以单晶的形式存在外， 还以多晶的形式存在， 称为多晶硅(见图 3 - 1)。 多晶硅从小的局部区域去看， 原 子结构排列整齐; 但从整体上看却并不整齐。
图3 - 1 多晶硅
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图 3 -2 是硅栅NMOS管的剖面结构， 多晶硅栅极
SiO2。
掩膜版6： 确定接触孔， 将这些位置处的SiO2刻 蚀掉。
掩膜版7： 用于刻蚀金属电极和金属连线。
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图3 -4（a）是反向器的版图， 图3 -6（b）是反向 器的剖面图。 需要说明的是： 为了防止闩锁效应的发 生， P阱必须接地， 衬底要接到UDD， 这只需在上面 掩膜版4、 掩膜版5、 掩膜版6中将括号内说明的未画 出的部分添加上去就可以了。 最后得到的结果是， N
形成了MOS管的源区和漏区； 同时多晶硅也被掺杂， 减小了多
晶硅的电阻率。 （5） 淀积SiO2， 将整个结构用SiO2覆盖起来， 刻出与源区和漏区
相连的接触孔。
（6） 把铝或其它金属蒸上去， 刻出电极及互连线
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3.1.2 P阱CMOS工艺简介
P 阱 CMOS 工艺通常是在中度掺杂的 N 型硅衬底上
掩膜版1： 用来规定P阱的形状、 大小及位置。 掩膜版2： 用于确定薄氧化层。 掩膜版3： 用来刻蚀多晶硅， 形成多晶硅栅极及 多晶硅互连线。 掩膜版4： 确定需要进行离子注入形成P+的区域。
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掩膜版5： 用来确定需要进行掺杂的N+区域， 由 图3 -4（e）可看出它实际上是P+掩膜版的负版， 即凡 不是P+的区域都进行N+掺杂， 包括NMOS管的栅区、 源区和漏区（实际上还应包括N型衬底的欧姆接触， 但图中并未画出）。 掺杂之后在硅片表面覆盖一层
首先作出P阱， 在P阱中做N管， 在N型衬底上做P管， 工艺过程的主要步骤及所用的掩膜版如图3 -4 所示。
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掩膜(侧视图) 掩膜(俯视图) 硅片剖面图 掩膜版 1 场氧 N-Si P阱
(a ) 掩膜版 2
薄氧化层 N-Si
(b )
多晶硅栅
掩膜版 3
N-Si (c)
的下面是很薄的一层 SiO2 ， 称为栅氧， 两边较厚的
SiO2层称为场氧化层， 主要起隔离作用。 下面就以硅栅 NMOS 为例， 简要介绍硅栅 MOS 管
பைடு நூலகம்
制造的基本工序（参照图3 -3）。
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源极金属引出
多晶硅栅极
漏极金属引出
N＋ 场氧 源扩散区
栅氧
N＋ 场氧 漏扩散区
P-Si
图3 - 2 硅栅NMOS管剖面图
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P-Si
光刻胶 P-Si Si3 N4
紫外线照射 掩膜版 掩膜版图形
P-Si
Si3 N4
P-Si
Si3 N4
图3 - 3 硅栅MOS管的制造工序
SiO2
(a) 场氧化、 光刻有源区；
P-Si
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第三章 集成电路工艺基础及版图设计
SiO2 淀积SiO2 P- Si (e) 铝电 极引出 P- Si (f)
图3 - 3 硅栅MOS管的制造工序 (a) 场氧化、 光刻有源区； (b) 栅氧化； (c) 淀积多晶硅、 刻多晶硅；(d) N+注入； (e) 淀积SiO2, 刻接触孔； (f) 蒸铝、 刻铝电极和互连
图3 - 4 CMOS工艺流程
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掩膜版 4
P＋ (d ) 掩膜版 5
P＋
N＋
(e) 接触孔 掩膜版 6
N-Si (f) 金属电极 掩膜版 7
(g )
图3 - 4 CMOS工艺流程
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图3 - 4 中， 右边一列画出的是左边各主要步骤用
到的掩膜版图的俯视图， 左边画出的是各步骤器件的
剖面图， 剖面图的上面还画出了掩膜版的侧视图， 掩 膜版侧视图空心的地方表示对应于下面器件剖面图该
处是透光的（空的）。 图3 -4实际上是一个反向器电
路（图 3 -5）的制作过程。
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图3 - 5 反向器
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N＋
N＋
SiO2 ( 场氧)
第三章 集成电路工艺基础及版图设计 （1）对P型硅片进行氧化， 生成较薄的一层Si3N4， 然后进行光 刻， 刻出有源区后进行场氧化。 （2） 进行氧化（栅氧化）， 在暴露的硅表面生成一层严格控制的
薄SiO2层。
（3） 淀积多晶硅， 刻蚀多晶硅以形成栅极及互连线图形。 （4） 将磷或砷离子注入， 多晶硅成为离子注入的掩膜（自对准），
型衬底通过一个 N+ 区和接触孔内的金属与 UDD 相连；
P阱通过一个P+区和接触孔内的金属与USS相连。
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金属(UD D) 多晶硅(Uin ) P＋区 金属(USS)
P阱 接触 孔
(a )
薄氧化层 ( P管有源区)
金属(Uou t)
薄氧化层 ( N管有源区)
图3 - 6 反向器版图及结构剖面图 (a) 版图； (b) 结构剖面图
P-Si (b ) 多晶硅 0 .5 ～2 m P-Si (c) 离子注入 SiO2 P-Si (d ) N＋
图3 - 3 硅栅MOS管的制造工序 (a) 场氧化、 光刻有源区； (b) 栅氧化；
(c) 淀积多晶硅、 刻多晶硅；(d) N+注入；
(e) 淀积SiO2, 刻接触孔； (f) 蒸铝、 刻铝电极和互连