VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSI设计基础设计基础第第3章章 工艺与设计接口工艺与设计接口 （2010-2010）VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 本章概要：本章概要：设计与工艺接口问题设计与工艺接口问题 工艺抽象工艺抽象 电学设计规则电学设计规则 几何设计规则几何设计规则 工艺检查与监控工艺检查与监控 基本问题基本问题设计与仿真依据设计与仿真依据工艺监控和提模手段工艺监控和提模手段设计与工艺接口设计与工艺接口2VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.1 设计与工艺接口问题设计与工艺接口问题基本问题基本问题工艺线选择工艺线选择 设计的困惑设计的困惑 设计与工艺接口设计与工艺接口 .1 .13VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.1.1 基本问题基本问题工艺线选择工艺线选择 一条成熟的工艺线，各项工艺参数都是一条成熟的工艺线，各项工艺参数都是一定的，不允许轻易变更，而这些参数往往一定的，不允许轻易变更，而这些参数往往就成为我们设计的制约因素。就成为我们设计的制约因素。 因此，设计之初必须考虑：因此，设计之初必须考虑：这条工艺线这条工艺线对我的设计是否合适。对我的设计是否合适。 .1 .1设计之初的重要问题：选择工艺和工艺线设计之初的重要问题：选择工艺和工艺线4VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.1.2 设计的困惑设计的困惑电参数：电参数：p应用萨方程应用萨方程 p衬偏效应衬偏效应(系数系数) p上升、下降时间（负载电容）上升、下降时间（负载电容） p迁移率比值迁移率比值p版图参数：版图参数：p尺寸尺寸p间距间距p 太多的不确定，工艺线能否提供这些参数？太多的不确定，工艺线能否提供这些参数？.1 .15VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.1.3 设计与工艺接口设计与工艺接口 工艺线提供电学设计和版图设计的规则，工艺线提供电学设计和版图设计的规则，形成设计规则文件。形成设计规则文件。 工艺线提供工艺加工质量的监测方法，形工艺线提供工艺加工质量的监测方法，形成成PCM（Process Control Monitor）。 这些构成清晰地接口：这些构成清晰地接口：设计与工艺接口设计与工艺接口。这个接口同时也成为了设计与工艺的共同制这个接口同时也成为了设计与工艺的共同制约，成为设计与工艺双方必须共同遵守的规约，成为设计与工艺双方必须共同遵守的规范。范。 .1 .16VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2 工艺抽象工艺抽象工艺对设计的制约、工艺抽象的意义工艺对设计的制约、工艺抽象的意义 工艺抽象工艺抽象 p 对材料参数的抽象对材料参数的抽象p 对加工能力的抽象对加工能力的抽象 得到以电学参数和几何参数描述的工艺数据，设得到以电学参数和几何参数描述的工艺数据，设计者不再看到诸如掺杂浓度、结深、氧化层厚度等工计者不再看到诸如掺杂浓度、结深、氧化层厚度等工艺技术范畴的专业术语。艺技术范畴的专业术语。.2 .27VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2.1 工艺对设计的制约工艺对设计的制约最小加工尺寸对设计的制约（特征尺寸与最最小加工尺寸对设计的制约（特征尺寸与最大面积）大面积）电学参数对设计的制约电学参数对设计的制约 标准工艺流程对特殊工艺要求的制约标准工艺流程对特殊工艺要求的制约工艺参数工艺参数设计参数（电参数、几何参数）设计参数（电参数、几何参数） .2 .28VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2.2 工艺抽象工艺抽象掺杂浓度以薄层电阻掺杂浓度以薄层电阻RS描述：描述：.2 .2掺杂浓度掺杂浓度掺杂深度掺杂深度9VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2.2 工艺抽象工艺抽象氧化层（绝缘层）厚度以单位面积电容氧化层（绝缘层）厚度以单位面积电容C0描述：描述： .2 .2氧化层掺杂层导电层10VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2.2 工艺抽象工艺抽象 重要参数重要参数阈值电压阈值电压描述了描述了衬底掺杂浓衬底掺杂浓度，氧化层厚度，氧化层中含有的电荷性度，氧化层厚度，氧化层中含有的电荷性质与数量，以及多晶硅（或金属）与衬底质与数量，以及多晶硅（或金属）与衬底的功函数差。的功函数差。 阈值电压包括了栅区阈值电压和场区阈值电压包括了栅区阈值电压和场区阈值电压。阈值电压。.2 .2导电薄膜参数以薄层电阻描述。导电薄膜参数以薄层电阻描述。11VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.2.2 工艺抽象工艺抽象.2 .2 版图设计规则是一组几何尺寸，是对加工版图设计规则是一组几何尺寸，是对加工精度（如最细线条）；寄生效应（如寄生晶体精度（如最细线条）；寄生效应（如寄生晶体管）；特性保障（如可控硅效应抑制）；加工管）；特性保障（如可控硅效应抑制）；加工质量控制（如成品率）等多方面的抽象。质量控制（如成品率）等多方面的抽象。 12VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.3 电学设计规则电学设计规则.3.3 电学设计规则提供了一组用于电路设计分电学设计规则提供了一组用于电路设计分析的参数，这些参数来源于具体工艺线，具有析的参数，这些参数来源于具体工艺线，具有很强的针对性。很强的针对性。 如果设计所采用的电学参数来源不是将来如果设计所采用的电学参数来源不是将来具体制作的工艺线，则仿真分析的结果没有实具体制作的工艺线，则仿真分析的结果没有实际意义。际意义。 电学设计规则被分为两个主要部分：器件电学设计规则被分为两个主要部分：器件模型参数和寄生提取所需的电学参数。模型参数和寄生提取所需的电学参数。 13VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.3.2 器件模型参数器件模型参数.3.3模型参数示例：模型参数示例： 14VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.3.3 模型参数的离散及仿真方法模型参数的离散及仿真方法.3.3设计时必须考虑工艺的离散对性能的影响设计时必须考虑工艺的离散对性能的影响 15VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.4 几何设计规则几何设计规则.4 .4 几何设计规则给出的是一组版图设计的最小几何设计规则给出的是一组版图设计的最小允许尺寸，设计者不能突破这些最小尺寸的限制，允许尺寸，设计者不能突破这些最小尺寸的限制，也就是说，在设计版图时对这些位置的版图图形也就是说，在设计版图时对这些位置的版图图形尺寸，只能是大于或等于设计规则的描述，而不尺寸，只能是大于或等于设计规则的描述，而不能小于这些尺寸。能小于这些尺寸。 16VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.4.1 几何设计规则描述几何设计规则描述.4 .4描述方法：一是以最小单位描述方法：一是以最小单位的倍数表示，几的倍数表示，几何设计规则中的所有数据都以何设计规则中的所有数据都以的倍数表示，的倍数表示，如如3、5。是最小沟道长度是最小沟道长度L的一半，是具的一半，是具体的数值。这种描述方法称为体的数值。这种描述方法称为设计规则。二设计规则。二是用具体的数值进行描述，数值单位是微米，是用具体的数值进行描述，数值单位是微米，被称为微米设计规则。被称为微米设计规则。 17VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.4.1 几何设计规则描述几何设计规则描述.4 .4表3.4 掩膜板层描述掩膜板层编号说明N阱（N_WELL）1有源区(ACTIVE)2多晶硅(POLY)3N+区（N PLUS SELECT）4P+区（P PLUS SELECT）4多晶硅2(POLY2)11、12、13可选用引线接触（CONTACT）5、6、13多晶硅接触孔（POLY CONTACT）5有源区接触孔（ACTIVE CONTACT）6多晶硅2接触孔（POLY2 CONTACT）13金属1（METAL1）7通孔（VIA）8金属1与金属2连接金属2（METAL2）9通孔2（VIA2）14金属2与金属3连接金属3（METAL3）15钝化层（GLASS）1018VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.4.1 几何设计规则描述几何设计规则描述.4 .4表3.6 有源区设计规则规则描述数2.1有源区最小宽度32.2有源区最小间距32.3源/漏有源区到阱边界距离52.4衬底/阱接触区到阱边界距离32.5不同掺杂类型的有源区间最小间距0或419VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.4.2 一个版图设计的例子一个版图设计的例子 .4 .420VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.5 工艺检查与监控工艺检查与监控.5 .5 工艺加工完成后，接下来的工作就是检查工艺加工完成后，接下来的工作就是检查制作的质量，验证设计的正确性。制作的质量，验证设计的正确性。 验证设计正确性的测试技术将在第验证设计正确性的测试技术将在第7章介章介绍。绍。 在本节中主要讨论如何进行工艺质量检查在本节中主要讨论如何进行工艺质量检查和监控，通过什么手段与技术确认产品加工失和监控，通过什么手段与技术确认产品加工失效的原因。效的原因。21VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.5.1 PCM（Process Control Monitor）.5 .5 PCM是一组测试结构，主要用于检测工是一组测试结构，主要用于检测工艺加工质量，提取相关参数。艺加工质量，提取相关参数。 PCM测试结构主要包括了四个方面：测试结构主要包括了四个方面： 工艺加工质量评估工艺加工质量评估 DC测试测试 AC测试测试 少量功能器件测试结构少量功能器件测试结构 PCM还作为提取器件模型参数的手段被还作为提取器件模型参数的手段被广泛使用。广泛使用。22VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.5.1 PCM.5 .523VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 .5 .5互连线的参数（INTERCONNECT PARAMETERS）： 薄层电阻（Sheet Resistance ）（金属、多晶硅、有源区等）接触电阻（Contact Resistance） 线宽偏差（Delta Line Width）（金属和多晶硅）台阶覆盖（STEP COVERAGE）： 梳齿结构（Comb Isolation）（金属和多晶硅） 折弯结构（Serpentine Continuity）晶体管特性（TRANSISTOR CHARACTERISTICS）： 晶体管阈值电压（Transistor Threshold Voltage） 本征导电因子，导电因子（Process Gain, Kp (beta/2)） Gamma（）系数 (body effect coefficient) 饱和电流（Saturation Current） 沟道穿通电压（Channel Punch-through Voltage） PN结击穿（Junction Breakdown）厚栅氧（场区氧化层）晶体管（FIELD OXIDE TRANSISTORS）： 阈值电压（Threshold）倒相器（INVERTERS）： 输出高电平（Vout, high） 输出低电平（Vout, low） 倒相器阈值（Inverter Threshold (Vinv)） 倒相器阈值处的增益（Gain at Inverter Threshold）电容（CAPACITORS）： 平板电容（Area Capacitance） 边缘电容（Fringe Capacitance）环行振荡器（RING OSCILLATOR）： 频率（Frequency）PCM部分部分测试参量测试参量24VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.5.2 测试图形及参数测量测试图形及参数测量.5 .5示例示例1：薄层电阻测量薄层电阻测量 基于范德堡基于范德堡（Van der Pauw）原理原理 。测量过程：测量过程：u 在相邻的两个臂间注入电流在相邻的两个臂间注入电流IF（如A-B）；u 测量另两臂间电压（如测量另两臂间电压（如C-D，得，得VCD）；）；u 旋转旋转90度，再注入电流度，再注入电流IF（B-C）；u 再测量电压（再测量电压（A-D，得，得VAD）。）。薄层电阻薄层电阻设计工程师只关心电参量设计工程师只关心电参量测试结果测试结果25VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 3.5.2 测试图形及参数测量测试图形及参数测量.5 .5示例示例2：本征导电因子测量本征导电因子测量 外推阈值电压测量外推阈值电压测量 由外推阈值电压测量曲线获得。由外推阈值电压测量曲线获得。由萨方程由萨方程 可知：外推直线斜率可知：外推直线斜率可得本征导电因子。可得本征导电因子。26VLSIVLSI设计基础设计基础-3-3 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 本章阐述设计与工艺接口：.5 .5工艺对设计的制约工艺对设计的制约工艺抽象工艺抽象几何设计规则几何设计规则工艺抽象工艺抽象电学规则、器件模型电学规则、器件模型工艺监控与参数提取工艺监控与参数提取PCM电路、版图设计电路、版图设计标准化工艺标准化工艺电学、几何设计规则电学、几何设计规则（设计文件、规范）（设计文件、规范）PCM，工艺检查，工艺检查工艺确认工艺确认27