北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件02集成电路基本结构和制作工艺-CMOS工

集成电路原理与设计集成电路制作工艺：CMOS工艺GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第二章集成电路制作工艺2.1.1集成电路加工的基本操作2.1.2MOS结构和分类2.2.1N阱CMOS工艺2.2.2深亚微米CMOS工艺2.3.1CMOSIC中的寄生效应2.3.2SOI工艺2.3.3CMOS版图设计规则GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware结构和分类MOS器件是一个夹层结构M：是metal，金属O：是oxide，氧化物S：是semiconductor，半导体早期工艺的MOS器件的栅极是用金属制造的，所以从栅极向下是金属，氧化物和半导体的结构GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareVTRonSDASwitch!|VGS|AnMOSTransistor简单的可以把mos管看作是一个电压控制的开关，当控制电压高于阈值电压，开关闭合，低于阈值电压，开关断开GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware、MOS器件结构MOS器件有四个端可以连接电极，分别为源，漏，栅和衬底半导体衬底表面在栅极绝缘层以下的部分称为沟道区，因为在mos工作过程中会在这里形成导电沟道因此，MOS在纵深方向是M－O－S三层结构，在横向是源－沟道－漏的结构DSGBNMOSwithBulkContactGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware：栅极和衬底器件工作过程中，栅极和衬底之间的电压形成纵向电场，这个电场会在衬底表面会形成一个导电通道，该沟道会连接源端和漏端MOS的栅极同其他三个电极是绝缘的，因此MOS也称为绝缘栅场效应晶体管（IGFET）MOS的衬底BULK端是掺杂的半导体，一般接固定的电源和地电压，因此有时候MOS器件的符号只标出G－D－S三端DSGBNMOSwithBulkContactGSDGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware：源和漏MOS器件的源区和漏区在结构和工艺加工上是完全相同的，在使用中可以被交换，但是为了分析的方便还是需要区分源端是载流子流出的一端（载流子的来源source），漏端是载流子流入的一端（载流子在这里消失drain）源漏区是半导体表面高掺杂的区域，作为源漏电极衬底电极也需要高掺杂的欧姆接触，只是其掺杂极性同源漏区相反GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware：漏，栅，源，衬MOS作为四端器件在漏电压，栅电压，源电压和衬底电压的作用下工作栅极的隔离是靠绝缘的栅氧化层，同半导体表面上的其他三个电极隔开源极和漏极同衬底接触，源漏和衬底的隔离是靠形成的反向PN结源极和漏极之间由两个PN结隔开因此，在MOS器件的工作过程中需要保持源漏同衬底之间的PN结0偏或者是反偏GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管的基本结构在栅电压的控制下，MOS在沟道区形成导电沟道连接源漏区，因此经常我们关心源漏区和沟道区的情况源漏区：主要目的是形成源漏电极，作为开关的两端沟道区：器件的主要工作区，沟道的长度（L）和宽度（W）直接影响着沟道内的电流GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware晶体管的结构参数结构参数：沟道的长度（L）、宽度（W）和栅氧化层的厚度（tox）直接影响着沟道电流的大小导通状态的沟道区可以看作是一个电阻沟道的形成和载流子密度受到纵向电场的控制栅氧化层厚度是由工艺决定的，MOS器件的主要设计参数就是沟道长度和宽度Gateoxiden+SourceDrainpsubstrateBulk(Body)Field-Oxide(SiO2)n+PolysiliconGateLWGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware的沟道长度栅长是决定器件尺寸的关键，也是区分不同半导体加工技术换代的标志，是半导体集成度的标志，因此也称为关键尺寸（criticaldimension）Gateoxiden+SourceDrainpsubstrateBulk(Body)p+stopperField-Oxide(SiO2)n+PolysiliconGateLWGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware沟道长度的计算由于源漏区加工过程中掺杂向半导体表面横向扩散，实际的沟道长度同设计中图形宽度并不相等toxn+n+CrosssectionLGateoxideLdLdLGPolysilicongateTopviewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+WGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware的器件宽度沟道电流在W×L的沟道区域内，沿着沟道长度的方向，在源漏端之间流动；沟道长度越小、宽度越大，电流也越大；沟道长度受到加工工艺的限制，一般取为允许的最小尺寸，即关键尺寸；而沟道宽度是主要的设计变量Gateoxiden+SourceDrainpsubstrateBulk(Body)p+stopperField-Oxide(SiO2)n+PolysiliconGateLWGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware沟道宽度的计算对于简单的矩形栅极，沟道宽度就是有源区的宽度而对于复杂形状的mos器件，需要根据实际情况确定沟道宽度源端漏端漏端漏端源端GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件的实际沟道宽度局部氧化LOCOS工艺场氧在有源区边缘形成鸟嘴使得实际的沟道宽度有所减小GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware、MOS器件的分类根据参与导电的载流子的类型，MOS器件可以分为NMOS和PMOS两种NMOS器件中的载流子是电子，源漏区是n＋区，衬底是p型PMOS器件中的载流子是空穴，源漏区是p＋区，衬底是n型为了产生导电沟道，以及源漏pn结隔离，两种器件的端电压极性相反GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件的分类根据工作机制MOS又可以分为增强型和耗尽型前面我们都是以n沟道增强型mos举例，增强型器件在栅压小于阈值电压的时候，无法产生导电沟道耗尽型MOS器件在没有加栅压情况下就有沟道，需要加栅压才能使得沟道消失GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware实际应用最多的是增强型的NMOS和PMOS器件Mos作为四端器件有D,G,S,B四个电极在实际的设计中，同类型的mos器件的衬底一般接相同的电位，有时候为了简便，只画出3端，而默认衬底接电源/地为了简便，一般以增强型NMOS举例GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管的输入特性CMOS：增强型NMOS和PMOS目前的数字集成电路中耗尽型MOS较少使用GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware晶体管的结构特点由于具有源漏同衬底的隔离，MOS器件同双极器件相比占用面积小，集成度高MOS是绝缘栅结构，即栅极不取电流，输入阻抗高，易于电路间的直接耦合源漏对称结构使得器件具有双向导通的特性，设计灵活CMOS结构没有静态短路功耗由于MOS器件是少子导电，需要先产生沟道电荷，然后才能导电，因此速度比双极器件慢GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第二章集成电路制作工艺2.1.1集成电路加工的基本操作2.1.2MOS结构和分类2.2.1N阱CMOS工艺2.2.2深亚微米CMOS工艺2.3.1CMOSIC中的寄生效应2.3.2SOI工艺2.3.3CMOS版图设计规则GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware§2.2.1N阱CMOS结构和工艺衬底硅片选择制作阱场区氧化形成硅栅形成源、漏区制作互连线GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware工艺流程：硅片的选择100晶向无缺陷的单晶硅片8英寸硅片，硅片厚度约700ump型硅片，电阻率为10-