制造集成電路的版圖基本知識(shí)

版圖層次定義

N阱 N阱概念

如果制造集成電路的硅片摻雜了磷等施主雜質(zhì)，則該類型的硅片稱為n型硅；如果摻雜了硼等受主雜質(zhì)，則該類型的硅片稱為p型硅。在制作CMOS集成電路時(shí)，N溝MOSFET（簡(jiǎn)稱NMOS）直接制作在p襯底上；P溝MOSFET（簡(jiǎn)稱PMOS）需要制作在N阱上。

實(shí)際上制造集成電路前，有些CMOS工藝需要先在硅片上生長(zhǎng)一層外延層，以減少閂鎖效應(yīng)的影響。習(xí)慣上把外延層和原來的襯底都稱作襯底。使用p襯底n阱的工藝稱為N阱工藝。使用n襯底p阱的工藝稱P阱工藝。現(xiàn)代工藝出于犧牲PMOS性能來優(yōu)化NMOS性能，所以大多數(shù)工藝都是N阱工藝；也有同時(shí)使用N阱和P阱的工藝，稱為雙阱工藝。 N阱和P襯底構(gòu)成寄生二極管，在CMOS電路中襯底通常接最低點(diǎn)評(píng)，確保二極管處于反偏。

N阱的作用
主要作用制造PMOS；摻雜濃度較低，電阻率較高，可用于制造電阻，稱為阱電阻； N阱可以和襯底構(gòu)成二極管，可用于制造寄生PNP管。

N阱制作
硅片涂膠后，通過N阱掩模版，將硅片放在光線下，通過顯影去掉被光照的光刻膠；氧化層生長(zhǎng)

? 曝光在光刻膠工藝過程中，涂層曝光、顯影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下來，該涂層材料為正性光刻膠；此時(shí)的掩模版類似遮光板，綠色部分不透光，鏤空的白色部分透光；

在光刻膠工藝過程中，涂層曝光、顯影后，曝光部分被保留下來，而未曝光被溶解，該涂層材料為負(fù)性光刻膠。此時(shí)的掩模版類似透明板，藍(lán)色部分不透光，其余部分透光；

無論是哪種方式，核心思想都是制造一個(gè)區(qū)域，用以摻雜；摻雜將硅片暴露在施主原子下，施主雜質(zhì)會(huì)被光刻膠擋住，同時(shí)通過光刻膠上的開孔擴(kuò)散到開孔區(qū)域的硅片中；

去掉光刻膠，形成N阱擴(kuò)散到一定時(shí)間后，N阱的深度達(dá)到工藝期望值。施主雜質(zhì)不僅會(huì)沿垂直硅片的方向擴(kuò)散（縱向擴(kuò)散），也會(huì)在硅片中間向四周擴(kuò)散（橫向擴(kuò)散），此特性跟N阱的設(shè)計(jì)規(guī)則密切相關(guān)。

? N阱制作流程圖

? Layout圖示

? 有源區(qū)（薄氧區(qū)） 有源區(qū)概念
源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)合稱MOS管的有源區(qū)，有源區(qū)之外的區(qū)域定義為場(chǎng)氧區(qū)（Fox）。有源區(qū)跟場(chǎng)氧區(qū)之和就是整個(gè)芯片表面，即 Ac tive + Fox = Surface。有源區(qū)叫Active，也叫diff 或 thin oxide。有源區(qū)只要用于制造N型器件和P型器件，也可以用于金屬1和襯底或阱的接觸。從某種意義上說有源區(qū)的掩膜板主要用于打開離子注入的窗口。實(shí)際上有源區(qū)掩膜板的意義在于作為制造硅局部氧化（LOCOS）和薄氧（封閉圖形內(nèi)形成薄氧，封閉圖形外形成LOCOS）。
有源區(qū)制造

? LOCOS
LOCOS （Local Oxidation of Silicon：硅的局部氧化）：CMOS工藝最常用的隔離技術(shù)，以氮化硅為掩膜實(shí)現(xiàn)了硅的選擇氧化，在這種工藝中，除了形成有源晶體管的區(qū)域以外，在其它所有重?fù)诫s硅區(qū)上均生長(zhǎng)一層厚的氧化層，稱為隔離或場(chǎng)氧化層。缺點(diǎn)：常規(guī)的LOCOS工藝由于有源區(qū)方向的場(chǎng)氧侵蝕（SiN邊緣形成類似鳥嘴的結(jié)構(gòu)，稱為“鳥喙效應(yīng)”bird beak)和場(chǎng)注入的橫向擴(kuò)散。

這種侵蝕會(huì)影響MOSFET的溝道寬度，所以實(shí)際制造出來的器件的溝道長(zhǎng)度會(huì)比版圖所畫的溝道長(zhǎng)度小。現(xiàn)代工藝中0.25um以下特征尺寸的工藝一般不使用LOCOS做隔離，而是使用淺槽隔離（STI）。
? Layout圖示

? 多晶硅1（Poly1）
作用最主要的作用是用于制造MOSFET的柵； Poly1和Poly2制造PIP電容（多晶硅1—絕緣層—Poly2）； Poly電阻； Poly互連（此時(shí)最大的問題是Poly的方塊電阻數(shù)量級(jí)比較大）； ?
柵極制作
晶體管中柵結(jié)構(gòu)的制作是流程中最關(guān)鍵的一步，因?yàn)樗俗畋叛趸瘜拥臒嵘L(zhǎng)以及多晶硅柵的刻蝕，而多晶硅柵的寬度通常都是整個(gè)硅片上最關(guān)鍵的線寬。柵氧化層的生長(zhǎng) > 多晶硅淀積 > 多晶硅掩模制作 > 多晶硅柵刻蝕

Poly跨過有源區(qū)時(shí)，源、漏和溝道自對(duì)準(zhǔn)于柵，這也稱為自對(duì)準(zhǔn)工藝。在不制作器件時(shí)，禁止多晶跨過有源區(qū)，避免產(chǎn)生寄生器件。多晶在形成器件時(shí)，需要超過有源區(qū)一定距離，保證源漏不會(huì)發(fā)生短路。
? Layout圖示

? P+/N+擴(kuò)散區(qū)
有源區(qū)的掩膜板主要用于打開離子注入的窗口。而P+和N+擴(kuò)散區(qū)的作用在于實(shí)現(xiàn)離子的注入，從而控制硅的摻雜類型。多晶硅柵可以作為NMOS和PMOS的源/漏的自對(duì)準(zhǔn)掩膜，注入可以按照任意順序進(jìn)行，可以先進(jìn)行N型源漏的注入，也可以先進(jìn)行P型源漏的注入。

? Layout圖示

? 接觸孔

接觸的目的是在所有的硅的有源區(qū)和Poly形成金屬接觸，這層金屬接觸可以使硅和隨后淀積的金屬導(dǎo)電材料更加緊密的結(jié)合。 ? Layout圖示

金屬層（Metal）
接觸孔硅化后，在晶圓上淀積摻銅的鋁層，淀積金屬后的晶圓涂上光刻膠并采用金屬掩模版光刻，去除不需要的金屬，形成互連結(jié)構(gòu)。

? Layout圖示

? 通孔VIA
層間介質(zhì)充當(dāng)各層金屬以及第一層金屬與硅之間的介質(zhì)材料。層間介質(zhì)上有許多小的通孔，這些層間介質(zhì)為相鄰的金屬層之間提供了電學(xué)通道。通孔中常用導(dǎo)電金屬（比如鎢）來填充，形成金屬層間的電學(xué)通路。 ? 簡(jiǎn)單反相器版圖 N阱（TB）