北大集成电路版图设计课件-第8章-MOS场效应晶体管.ppt
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1、第八章第八章 MOS场效应场效应晶体管晶体管一一.概述概述 场效应晶体管(场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET Field Effect Transistor,FET)的发明早)的发明早于双极型晶体管,但是由于当时的集成电路制造工艺无法生于双极型晶体管,但是由于当时的集成电路制造工艺无法生长出高质量的介质薄膜,使得场效应晶体管没有成功生产出长出高质量的介质薄膜,使得场效应晶体管没有成功生产出来。来。二十世纪六十年代,由于适合于栅极的绝缘介质薄膜的成功二十世纪六十年代,由于适合于栅极的绝缘介质薄膜的成功生产,使得制造金属生产,使得制造金属-氧化物氧化物-半导体场效
2、应晶体管(半导体场效应晶体管(Metal Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorOxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFETMOSFET,简称为简称为MOSMOS晶体管)成为可能。晶体管)成为可能。早期的早期的MOSMOS晶体管由于制造工艺不成熟,存在阈值电压不稳定、晶体管由于制造工艺不成熟,存在阈值电压不稳定、薄氧化层易被击穿等问题。随着工艺水平的不断进步,现在薄氧化层易被击穿等问题。随着工艺水平的不断进步,现在制造制造MOSMOS晶体管的工艺已经相当成熟了,人们已经可以制备性
3、晶体管的工艺已经相当成熟了,人们已经可以制备性能优良的能优良的CMOSCMOS晶体管电路了。晶体管电路了。一一.概述概述 CMOSCMOS晶体管电路和其它电路(例如双极型晶体管电路)相比晶体管电路和其它电路(例如双极型晶体管电路)相比较,具有电流损耗更低、面积更小、设计更加灵活的优点。较,具有电流损耗更低、面积更小、设计更加灵活的优点。CMOSCMOS晶体管电路可用于数字电路和模拟电路,并且在一些特晶体管电路可用于数字电路和模拟电路,并且在一些特定应用上开始替代双极型晶体管电路。但是,定应用上开始替代双极型晶体管电路。但是,CMOSCMOS晶体管并晶体管并不具备双极型晶体管的全部性质,为了充分
4、利用不具备双极型晶体管的全部性质,为了充分利用CMOSCMOS晶体管晶体管和双极型晶体管的优点,已经出现了可将双极型晶体管和和双极型晶体管的优点,已经出现了可将双极型晶体管和CMOSCMOS晶体管制作在同一衬底上的工艺,即晶体管制作在同一衬底上的工艺,即BiCMOSBiCMOS工艺。工艺。一一.概述概述 MOSMOS晶体管是四端器件,具有源极(晶体管是四端器件,具有源极(S S)、漏极()、漏极(D D)、栅极)、栅极(G G)和衬底()和衬底(B B)四个电极,按导电类型分为)四个电极,按导电类型分为NMOSNMOS晶体管和晶体管和PMOSPMOS晶体管两种晶体管两种.(a a)NMOS N
5、MOS (b b)PMOSPMOS一一.概述概述 二二.MOS.MOS管的版图管的版图 NMOSNMOS晶体管的立体图和俯视图晶体管的立体图和俯视图(a a)立体图)立体图 (b b)俯视图)俯视图二二.MOS.MOS管的版图管的版图 图图 PMOSPMOS晶体管的版图示意图晶体管的版图示意图二二.MOS.MOS管的版图管的版图 阱层(阱层(WellWell):):阱层定义在衬底上制备阱的区域。阱层定义在衬底上制备阱的区域。NMOSNMOS管管制备在制备在P P型衬底上,型衬底上,PMOSPMOS管制备在管制备在N N型衬底型衬底上。一块原始的半导体材料,掺入的杂质上。一块原始的半导体材料,掺
6、入的杂质类型只能有一种,即该衬底不是类型只能有一种,即该衬底不是N N型就是型就是P P型。如果不对衬底进行加工处理的话,该型。如果不对衬底进行加工处理的话,该衬底只能制备一种衬底只能制备一种MOSMOS晶体管。晶体管。CMOSCMOS集成电集成电路是把路是把NMOSNMOS晶体管和晶体管和PMOSPMOS晶体管制备在同晶体管制备在同一个硅片衬底上,为了能够制造一个硅片衬底上,为了能够制造CMOSCMOS集成集成电路,需要对衬底进行处理,利用掺杂工电路,需要对衬底进行处理,利用掺杂工艺在衬底上形成一个区域,该区域的掺杂艺在衬底上形成一个区域,该区域的掺杂类型和衬底的掺杂类型相反,这个区域就类型
7、和衬底的掺杂类型相反,这个区域就称为阱称为阱。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 有源区层(有源区层(ActiveActive):):有源区层的作用是在衬底上定义制作有源区层的作用是在衬底上定义制作有源区的区域,该区域包括源区、漏有源区的区域,该区域包括源区、漏区和沟道。在衬底上淀积厚氧化层,区和沟道。在衬底上淀积厚氧化层,利用光刻和刻蚀工艺在衬底上开窗口利用光刻和刻蚀工艺在衬底上开窗口并把厚氧化层除去就可形成有源区,并把厚氧化层除去就可形成有源区,有源区之外的区域是场区。显然,有源区之外的区域是场区。显然,MOSMOS管必须而且只能制备在有源区内。管必须而且只能制备在有源区内。二二.MOS
8、.MOS管的版图管的版图 P+P+注注入入层层和和N+N+注注入入层层(P+P+implantimplant和和N+N+implantimplant):):P+P+注注入入层层定定义义注注入入P+P+杂杂质质离离子子的的区区域域,而而N+N+注注入入层层定定义义注注入入N+N+杂杂质质离离子子的的区区域域。由由于于NMOSNMOS晶晶体体管管和和PMOSPMOS晶晶体体管管的的结结构构相相同同,只只是是源源漏漏区区的的掺掺杂杂类类型型相相反反。同同时时,有有源源区区层层只只是是定定义义了了源源区区、漏漏区区和和沟沟道道的的区区域域,却却没没有有说说明明源源区区和和漏漏区区的的掺掺杂杂类类型型。
9、P+P+注注入入层层和和N+N+注注入入层层说说明明了了注注入入杂杂质质的的类类型型,也也就就是是说说明明了了有有源源区区的的导导电电类类型型,实实现现了了NMOSNMOS晶晶体体管管和和PMOSPMOS晶体管的区分。晶体管的区分。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 P+P+注注入入层层和和N+N+注注入入层层(P+P+implantimplant和和N+N+implantimplant):):P+P+注注入入层层定定义义注注入入P+P+杂杂质质离离子子的的区区域域,而而N+N+注注入入层层定定义义注注入入N+N+杂杂质质离离子子的的区区域域。由由于于NMOSNMOS晶晶体体管管和和PMOS
10、PMOS晶晶体体管管的的结结构构相相同同,只只是是源源漏漏区区的的掺掺杂杂类类型型相相反反。同同时时,有有源源区区层层只只是是定定义义了了源源区区、漏漏区区和和沟沟道道的的区区域域,却却没没有有说说明明源源区区和和漏漏区区的的掺掺杂杂类类型型。P+P+注注入入层层和和N+N+注注入入层层说说明明了了注注入入杂杂质质的的类类型型,也也就就是是说说明明了了有有源源区区的的导导电电类类型型,实实现现了了NMOSNMOS晶晶体体管管和和PMOSPMOS晶体管的区分。晶体管的区分。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 多晶硅层(多晶硅层(PolyPoly):):多晶硅层的作用是定义制作多晶硅材料的区多晶
11、硅层的作用是定义制作多晶硅材料的区域。最早的域。最早的MOSMOS集成电路制造工艺只能制备集成电路制造工艺只能制备一层多晶硅,而现在已经有能够制备两层多一层多晶硅,而现在已经有能够制备两层多晶硅的工艺了。对于双层多晶硅工艺,第一晶硅的工艺了。对于双层多晶硅工艺,第一层多晶硅主要用来制作栅极、导线和多晶硅层多晶硅主要用来制作栅极、导线和多晶硅多晶硅电容的下极板,第二层多晶硅主要多晶硅电容的下极板,第二层多晶硅主要用来制作多晶硅电阻和多晶硅多晶硅电容用来制作多晶硅电阻和多晶硅多晶硅电容的上极板。双层多晶硅工艺具有多晶硅的上极板。双层多晶硅工艺具有多晶硅1 1和和多晶硅多晶硅2 2这两个版图层。这两
12、个版图层。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 金属层:金属层:实现金属互连。实现金属互连。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 接触孔层(接触孔层(ContactContact):):接触孔层定义制作接触孔的区域。接触孔层定义制作接触孔的区域。MOSMOS晶体管晶体管的源极、漏极、栅极和衬底都要与电源或其它的源极、漏极、栅极和衬底都要与电源或其它元件相连接,这样才能对元件相连接,这样才能对MOSMOS晶体管供电使其晶体管供电使其工作并和其它元件一起组成具有使用价值的电工作并和其它元件一起组成具有使用价值的电路。有源区和场区的表面以及多晶硅栅极上都路。有源区和场区的表面以及多晶硅栅极上都有二氧
13、化硅薄膜的存在,而二氧化硅是不导电有二氧化硅薄膜的存在,而二氧化硅是不导电的,为了能进行电连接,需要将衬底和多晶硅的,为了能进行电连接,需要将衬底和多晶硅上某些区域上的二氧化硅去除,打开窗口,在上某些区域上的二氧化硅去除,打开窗口,在窗口内填塞金属,并用金属线进行连接。这些窗口内填塞金属,并用金属线进行连接。这些窗口就是接触孔,其作用是实现半导体材料和窗口就是接触孔,其作用是实现半导体材料和金属的欧姆接触,从而对金属的欧姆接触,从而对MOSMOS晶体管的各个电晶体管的各个电极进行电连接。极进行电连接。二二.MOS.MOS管的版图管的版图 二二.MOS.MOS管的版图管的版图 二二.MOS.MO
14、S管的版图管的版图 图图 NMOSNMOS晶体管的版图示意图晶体管的版图示意图二二.MOS.MOS管的版图管的版图 三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的串联:管的串联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的串联:管的串联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的串联:管的串联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的并联:管的并联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的并联:管的
15、并联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的并联:管的并联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的并联:管的并联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 源漏共用源漏共用MOSMOS管的串并联:管的串并联:三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 特殊尺寸特殊尺寸MOSMOS管管大尺寸大尺寸MOSMOS晶体管(晶体管(W/L1W/L1)宽长比很大的宽长比很大的MOSMOS晶体管的版图晶体管的版图 对于宽长比特别大的对于宽长比特别大的MOSMOS晶体管,其版图可以采用以下步骤进晶体管,其版图
16、可以采用以下步骤进行处理:拆分行处理:拆分-源漏共用源漏共用-叉指连接。叉指连接。三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 大尺寸大尺寸MOSMOS晶体管(晶体管(W/L1W/L1):步骤一:拆分。将宽长比很大的步骤一:拆分。将宽长比很大的MOSMOS晶体管的版图进行拆分,晶体管的版图进行拆分,把它截成几段,拆分的数量以最终的版图接近方形为宜,因为把它截成几段,拆分的数量以最终的版图接近方形为宜,因为方形的版图有利于布局,容易和其它版图相拼接。方形的版图有利于布局,容易和其它版图相拼接。三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 大尺寸大尺寸MOSMOS晶体管(晶体管(W/L1W
17、/L1):步骤二:源漏共用。利用源漏共用技术进行并联。步骤二:源漏共用。利用源漏共用技术进行并联。三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 大尺寸大尺寸MOSMOS晶体管(晶体管(W/L1W/L1):步骤三:叉指连接。采用叉指连接的方式进行金属连接。步骤三:叉指连接。采用叉指连接的方式进行金属连接。三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 特殊尺寸特殊尺寸MOSMOS管管小尺寸小尺寸MOSMOS晶体管(晶体管(W/L1W/L1)三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 特殊形状特殊形状MOSMOS管管曲线形状曲线形状MOSMOS晶体管的版图晶体管的版图 三三.MOS.M
18、OS管版图设计技巧管版图设计技巧 特殊形状特殊形状MOSMOS管管三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 特殊形状特殊形状MOSMOS管管三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 衬底连接与阱连接衬底连接与阱连接制作制作CMOSCMOS集成电路有集成电路有N N阱工艺、阱工艺、P P阱工艺和双阱工艺,无论哪种阱工艺和双阱工艺,无论哪种工艺,在阱和衬底之间都存在工艺,在阱和衬底之间都存在PNPN结。以结。以N N阱工艺为例,在阱工艺为例,在P P型衬型衬底和底和N N阱之间存在阱之间存在PNPN结。为了保证结。为了保证PNPN结的有效隔离,结的有效隔离,N N阱的电位阱的电位必
19、须高于必须高于P P型衬底的电位,最简单最可靠的方法是将型衬底的电位,最简单最可靠的方法是将N N阱接最正阱接最正的电源,的电源,P P型衬底接最负的电源。在版图设计中,将设置衬底型衬底接最负的电源。在版图设计中,将设置衬底或阱连接的方式称为衬底连接或阱连接。或阱连接的方式称为衬底连接或阱连接。三三.MOS.MOS管版图设计技巧管版图设计技巧 衬底连接与阱连接衬底连接与阱连接设置阱连接的经验法则是在满足设计规则的前提下,在阱的空设置阱连接的经验法则是在满足设计规则的前提下,在阱的空闲区域尽可能多地设置阱连接。比较常用的设置阱连接的方式闲区域尽可能多地设置阱连接。比较常用的设置阱连接的方式是用阱
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