PMOS版圖設(shè)計(jì)裝置的制作方法

PMOS版圖設(shè)計(jì)

版圖設(shè)計(jì)是按照設(shè)計(jì)的要求和工藝條件，選擇合適的尺寸，確定器件幾何圖形，進(jìn)行合理的布局和連線，構(gòu)成電路總版圖，并按照工藝流程設(shè)計(jì)出一套光刻掩膜版。正確、良好的版圖設(shè)計(jì)，不僅是實(shí)現(xiàn)電路功能所必需，而且對(duì)成品率、集成度以及電路性能都有很大的影響。PMOS版圖設(shè)計(jì)

版圖設(shè)計(jì)必須考慮三個(gè)原則：

①最有效地利用晶片面積；

②保證電路各方面的性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求；

③保證有較高的成品率。

為了達(dá)到這些目的，必須仔細(xì)研究各種布圖方案，力求達(dá)到最佳。

目前中、小規(guī)模集成電路的版圖設(shè)計(jì)往往憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，靠人工完成，而大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的版圖設(shè)計(jì)要采用計(jì)算機(jī)作輔助。這里就中、小規(guī)模集成電路版圖設(shè)計(jì)的基本知識(shí)作些介紹。

1、版圖基本尺寸的規(guī)定

在繪制版圖時(shí)，作圖的尺寸（包括四層掩膜圖形尺寸）是必須認(rèn)真考慮的。從提高集成度考慮，作圖的尺寸當(dāng)然愈小愈好，但要受到電學(xué)性能和工藝水平的限制。電學(xué)性能的限制，一般是指器件的漏源擊穿特性、鋁引線的最大電流密度以及引起寄生晶體管擴(kuò)散條之間的最小間隙等等。工藝水平的限制主要指制版精度、前道工藝水平及光刻套準(zhǔn)精度。PMOS版圖設(shè)計(jì)。當(dāng)然尺寸的規(guī)定不是一成不變的，而是隨著工藝水平的提高而不斷縮小的。例如，較早的PMOS常規(guī)工藝，溝道的最小長度一般設(shè)計(jì)為8~12μm，而目前先進(jìn)的NMOS工藝，溝道長度L已縮小到2μm左右，甚至更小。

下面僅就PMOS常規(guī)工藝水平的圖形尺寸的原則規(guī)定，分別作些介紹，以作入門參考。

（1）溝道最小尺寸的確定

上面講到的MOS器件設(shè)計(jì)，給出了管子的寬長比。如何來確定溝道最小長度L，應(yīng)從三個(gè)方面來考慮。

a、實(shí)際工藝水平。

b、源漏穿通電壓。在第一章中講到，L縮短，穿通電壓下降。為了保證源漏穿通電壓大于MOS管的工作電壓，要求，如果襯底濃度，則要求溝道最小寬度為：

當(dāng)然，電路的工作電壓減小，可以降低要求，L就可以減小。

c、由于源漏區(qū)橫向擴(kuò)散的影響，會(huì)使實(shí)際的溝道長度要比版圖上畫出的小。一般橫向擴(kuò)散的長度取擴(kuò)散結(jié)深，所以實(shí)際的溝道長度應(yīng)為：

如果結(jié)深為2μm，實(shí)際溝道長度選為8μm，則繪制版圖時(shí)，源漏間距應(yīng)是12μm。

（2）一般圖形尺寸

① 作圖標(biāo)記 為了使作圖清楚，在同一圖上分清擴(kuò)散區(qū)、柵區(qū)、引線孔、鋁引線條等四塊光刻掩膜圖形，一般各個(gè)區(qū)域都用不同的線條做標(biāo)記。圖5-3為1977年部頒發(fā)的MOS電路作圖標(biāo)記。

②尺寸規(guī)定 其它還有圖形（或壓點(diǎn)）與劃片區(qū)的最小間隙為160~200μm；兩塊電路間距為520~600μm。

在圖5-4中，其中是后道工藝對(duì)電路尺寸的限制，如測(cè)試探針和熱壓焊點(diǎn)的大小，必須保證測(cè)試和壓焊所需的面積；PMOS版圖設(shè)計(jì)。又如用金剛刀劃片，每個(gè)電路芯片之間必須保證有足夠的間距；此外，壓點(diǎn)與壓點(diǎn)之間必須有一定的間隙，以保證壓焊點(diǎn)相鄰的金屬絲不造成短路等等。

（3）擴(kuò)散條間距的選定

MOS電路的擴(kuò)散區(qū)主要是負(fù)載管的漏區(qū)（包括電源擴(kuò)散區(qū)），倒相器兩器件的公用擴(kuò)散區(qū)，輸入管的源區(qū)（包括接地?cái)U(kuò)散區(qū)）以及二個(gè)或三個(gè)晶體管的共用擴(kuò)散區(qū)等等。在布圖中，首先希望擴(kuò)散區(qū)的布局能節(jié)省晶片面積，因此擴(kuò)散區(qū)要均勻密集地分布在晶片上面，并充分利用共用擴(kuò)散區(qū)。其次，擴(kuò)散區(qū)的布局（包括器件的排布）要有利于鋁引線的布局，使鋁引線在版面上均勻分布，而不致疏密不均。第三，擴(kuò)散區(qū)的布局還須避免寄生效應(yīng)。如兩擴(kuò)散條間距很近，當(dāng)鋁線通過擴(kuò)散區(qū)上面的厚氧化層時(shí)，會(huì)引起“場致反型晶體管”，如圖5-5所示。這種寄生效應(yīng)會(huì)引起嚴(yán)重的漏電或兩擴(kuò)散區(qū)穿通，增加電路的功耗和影響電路的性能。

場致反型晶體管的形成與兩擴(kuò)散區(qū)之間的距離有關(guān)。因?yàn)樗膱鲋路葱烷y值電壓不僅與氧化層厚度有關(guān)，而且與兩擴(kuò)散區(qū)間距L有關(guān)（實(shí)際L就是寄生晶體管溝道長度）。下表給出了不同工值的數(shù)值；

可見，在一些易于產(chǎn)生寄生效應(yīng)的區(qū)域，兩擴(kuò)散區(qū)之間距離應(yīng)適當(dāng)加寬，最小間距為12μm。由于溝道的形成實(shí)際是漸近的過程，即使電壓比小得很多，也仍會(huì)有溝道漏電存在，所以設(shè)計(jì)中必須注意。PMOS版圖設(shè)計(jì)。消除寄生效應(yīng)，通常可采用以下兩個(gè)辦法：

①鋁線避開兩擴(kuò)散區(qū)的間隙；

②增大擴(kuò)散條的間隙，如圖5-6所示。

2、器件圖形考慮

（1）一般器件圖形

器件圖形設(shè)計(jì)與擴(kuò)散區(qū)的布局是分不開的。對(duì)于電路中倒相器的兩個(gè)器件尺寸，布圖時(shí)可有各種圖形。一般來說，圖形要簡單，占用面積要小，所布圖形要有利于發(fā)揮電路的性能。

對(duì)于共柵漏的負(fù)載器件，值>1的情況，圖形是很簡單的，如圖5-7（a）所示。

對(duì)于值<1的情況，根據(jù)電路具體布圖可靈活設(shè)計(jì)，一般常用圖形如圖5-7（b）和（c）所示。

對(duì)于輸入器件來說，較小尺寸很簡單，較大尺寸的圖形常見的有“L”形及“梳狀”形，如圖5-8所示。

（2）柵保護(hù)器件圖形

在整個(gè)電路的版圖中，還包括柵保護(hù)器件，第一章中介紹了四種柵保護(hù)器件的形式。這里介紹兩種經(jīng)常采用的PMOS電路的柵保護(hù)器件圖形。

圖5-9所示為柵覆蓋保護(hù)二極管圖形。這種器件有一個(gè)相當(dāng)長的邊界，并且在二極管后面加了一個(gè)串聯(lián)擴(kuò)散電阻，以保證有較大的電流泄漏容量。

圖5-10所示為柵調(diào)制保護(hù)二極管圖形。

這兩種器件，由于在PN結(jié)上制備了帶有接地鋁引線的薄氧化層，使二極管的反向擊穿電壓比一般二極管降低20~30V，所以實(shí)際擊穿電壓在40~60V的范圍內(nèi)。

3、鋁引線布局原則

引線布局俗稱“布線”，它是在決定了各器件于電路版中的位置后，用鋁引線將各器件按電路的要求聯(lián)結(jié)起來，這就是內(nèi)部布線；PMOS版圖設(shè)計(jì)。另外還有輸入、輸出、電源和接地壓點(diǎn)的外部布線。

鋁引線布局通常應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①應(yīng)盡可能道免寄生效應(yīng) 高壓線（輸出點(diǎn)D）或電源線，一般應(yīng)遠(yuǎn)離輸入器件源、漏及柵極。

②連線電阻越小越好 可以適當(dāng)加寬鋁條，一般可用12~16μm。為了減小引線電阻的影響，電源線和地線盡可能采用鋁線。但當(dāng)無法采用鋁線時(shí)，可采用擴(kuò)散區(qū)作引線，但必引線孔須注意擴(kuò)散電阻對(duì)電路性能的影響。

③鋁引線應(yīng)盡量避免使用長線 因?yàn)榭缭降牡胤皆蕉?，產(chǎn)生針孔、斷裂的機(jī)會(huì)也越多。當(dāng)不可避免地一定要使用長引線時(shí)，鋁線的條寬和厚度要適當(dāng)增加。

④兩線交叉時(shí)的隧道引線 隧道引線又稱為原氧化層底下的擴(kuò)散隱埋引線，這種擴(kuò)散引線條與擴(kuò)散源漏區(qū)同時(shí)做成，如圖5-11所示。采用隧道引線，一般讓低壓（如接地線）經(jīng)鋁線引出，以免高壓在薄氧化層上引起不良的泄漏影響。而高壓線一般從擴(kuò)散線引出。

4、繪制總圖

根據(jù)給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，計(jì)算出了電路中各器件的幾何尺寸，再根據(jù)繪圖的一些基本原則和規(guī)定，就可以著手設(shè)計(jì)和繪制電路的版子總圖（即掩膜復(fù)合圖），從而得到電路的光刻掩膜版。

（1）排版草圖 一塊性能優(yōu)良的電路復(fù)合版，不是一次就能畫好的。在正式畫制版圖以前，必須先繪制電路版子的草圖。

 其主要目的是：第一，大致安排一下各器件的位置；第二，畫出內(nèi)引線的連接圖形，應(yīng)避免內(nèi)引線相互跨越；第三，確定輸入和輸出端引線的走向。在得到了一個(gè)滿意的布局以后。再正式畫制總圖。

下面以某廠生產(chǎn)的4×3與非門PMOS電路（正邏輯規(guī)定）為例（如圖5-12所示），作些簡要的介紹。

對(duì)所有的電路來說，必須有輸入、輸出、電源、接地這些引出端。在這塊電路中，共有4組與非門，每組有3個(gè)輸入端，1個(gè)輸出端，再加上公共的電源及接地端，所以總共有18個(gè)引出端。

各引出端的排列應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)化。PMOS版圖設(shè)計(jì)。對(duì)于扁平陶瓷封裝，它的管腳排列及編號(hào)如圖5-13所示。這種P溝道系列電路，電源接第18腳，地線接第9腳，輸入、輸出端的排列如圖中所示。這種4×3與非門電路，各組都是相同的，所以只要將一組中各管的位置編排好，按照對(duì)稱原則，就可以將四組的圖形編排在一塊完整的版子里。

（2）繪制版子總圖 版子總圖（即掩膜復(fù)合圖），根據(jù)制版工藝水平，一般采用放大200倍以上的作圖比例，因?yàn)樵谶@樣的放大倍數(shù)情況下，最小尺寸的器件能夠精確的畫出來。根據(jù)排版草圖，把電路的平面布圖畫在坐標(biāo)紙上，即獲得版子總圖。PMOS版圖設(shè)計(jì)。圖5-14所示4×3與非門總圖的四分之一。

總圖完成后，必須仔細(xì)地檢查和校對(duì)，特別是要注意以下幾個(gè)問題

①器件尺寸是否正確，各種尺寸是否符合原則要求；

②連線是否正確，對(duì)照電路進(jìn)行校對(duì)；

③是否有漏點(diǎn)、漏線現(xiàn)象，版子差錯(cuò)常常是忘了開引線孔或漏掉某些連線；

④是否有產(chǎn)生寄生MOS晶體管的地方；

⑤熱壓點(diǎn)排列是否符合封裝要求。

在總圖檢查無誤后，才可刻制分圖（光刻掩膜版），提供制版使用。

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