posobie5_1mua

30

Рис.2.12. Резисторы: а – диффузионный; б – поликремниевый

2.4.2. Конденсаторы

При линейных преобразованиях сигналов в аналоговых КМОП ИС конденсаторы обеспечивают максимальную точность и поэтому получили широкое распространение. К ним предъявляются следующие требования:

высокая относительная точность (в пределах кристалла), слабая зависимость от напряжения, высокая удельная емкость, низкая паразитная емкость.

Подобным требованиям наиболее удовлетворяют два типа конденсаторов (рис.2.13).

31

Рис.2.13. Конденсаторы: а – МОП, б – МОМ.

Первый тип – МОП-конденсатор, образованный поликремнием и полупроводниковой высоколегированной областью, разделенными подзатворным диэлектриком (рис 2.13,а). Он получается в КМОПтехнологическом процессе, дополненном легированием подзатворной области. Второй тип – МОМ-конденсатор, образованный двумя проводящими слоями (поликремниевыми, как на рисунке, или металлами) (рис.2.13,б). Он требует усложнения технологического процесса, но обеспечивает наилучшие характеристики. Удельные емкости конденсаторов приведены в Табл.2.6.

32

При использовании специальных диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной емкость может быть увеличена.

В КМОП ИС присутствуют и паразитные конденсаторы, которые оказывают существенное влияние на работу ИС (Табл.2.6). Их необходимо учитывать при проектировании ИС, поскольку они влияют на точность и быстродействие схем.

33

Глава 3. Маршрут и топология КМОП

3.1. Технологический маршрут КМОП

Существует несколько основных (базовых) технологий изготовления субмикронных КМОП ИС. Они различаются по типу исходной полупроводниковой подложки, методам изоляции, количеству слоев поликремния и и количеству проводящих (металлических) слоев межсоединений (разводки). Для "глубокого субмикрона" (при минимальных топологических размерах 0.25 мкм и менее) характерно использование изоляции приборов с помощью глубокой канавки (щели), заполненной диэлектриком (канавочная изоляция), а количество слоев межсоединений достигает пяти. Именно такая базовая технология будет кратко описана далее. Она может быть усложнена введением дополнительных слоев для формирования более качественных пассивных элементов.

Технологический маршрут изготовления КМОП ИС включает большое количество технологических операций, объединенных в модули. Основные (укрупненные) этапы формирования МОП-транзисторов в типовом КМОП маршруте на р-подложке приведены на рис.3.1.1 – 3.1.3

На рис.3.1.3 технологический процесс ограничен изготовлением только двух слоев разводки, для каждого последующего слоя разводки этапы в и г должны быть повторены. После формирования последнего слоя разводки поверхность пластины покрывается защитным слоем (пассивация) и в нем производится вскрытие контактных окон к последнему слою металла (формирование контактных площадок – внешних выводов).

Многократное применение операции фотолитографии позволяет переносить топологический рисунок с фотошаблона в функциональные слои на кремниевой пластине. В результате переноса изображений активных областей и затвора и проведения легирования карманов, канала, стоков/истоков на пластине появляются весь арсенал активных приборов (и одновременно областей контактов к подложке и карманам).

Переносом рисунков разводки в слои металлизации активные приборы объединяются в интегральную схему.

34

Рис.3.1.1. Этапы технологического процесса изготовления КМОП ИС: a – ионное легирование кармана через маску по фотошаблону №1 (ф-ш.1); б – фотолитография нитридной маски для травления канавки, (ф-ш.2); в – травление глубокой канавки; г – заполнение канавки диэлектриком и выравнивание поверхности; д – имплантация для подгонки порогов МОП-транзисторов.

35

Рис.3.1.2. Этапы технологического процесса изготовления КМОП ИС: а – подзатворное окисление, осаждение поликремния, литография затворов (ф-ш.3); б – слабое легирование (LDD) стоков/истоков n-МОП через маску (ф-ш.4) и слабое легирование (LDD) стоков/истоков p-МОП через маску (ф-ш.5); в – формирование пристенков и глубокое легирование стоков/истоков n-МОП и контактов к карманам через маску (ф-ш.4) и стоков/истоков p-МОП и контактов к подложке через маску (ф-ш.5); г – силицидирование стоков/истоков и поликремниевых затворов.

36

Рис.3.1.3. Этапы технологического процесса изготовления КМОП ИС: а – осаждение и оплавление легкоплавкого диэлектрика, вскрытие контактных окон (ф-ш.6), заполнение их вольфрамом; б – напыление первого слоя металла и формирование в нем разводки (ф-ш.7), осаждение и оплавление межслойного диэлектрика; в – вскрытие контактных окон к первому слою металла (ф-ш.8), заполнение их вольфрамом; г – напыление второго слоя металла и формирование в нем разводки (ф-ш.9), осаждение и оплавление диэлектрика.

37

К числу областей, топология которых может быть определена разработчиком, относятся:

1)карманы для МОП-транзисторов (общие для нескольких МОП одного типа);

2)активные области приборов (изолированные друг от друга полевым диэлектриком);

3)поликремниевые проводники, которые пересекая активные области приборов, разделяют их на сток, исток и канал, т.е. образуют МОПтранзисторы;

4)высоколегированные области п+-типа (стоки/истоки n-МОП и контакты к карманам п-типа);

5)высоколегированные области р+ типа (стоки/истоки p-МОП и контакты к карманам р-типа);

6)контакты к электродам МОП-транзисторов и к карманам;

7)проводники в первом и последующих проводящих слоях (во всех слоях металлизации);

8)контакты между соседними слоями проводников (разделенных изолирующим диэлектриком);

9)внешние контакты к последнему слою металлизации (покрытому защитным слоем диэлектрика);

Если использовать M слоев металлизации, то количество топологиче-

ских рисунков (топологических слоев) синтезируемых разработчиком, К = 6 +2 M. Общее количество фотолитографических процессов и топологических слоев N всегда больше К из-за наличия дополнительных технологических операций (например, фотолитография для слабого и сильного легирования стоков/истоков проводится по одним и тем же фотошаблонам). Дополнительные топологические слои могут выполняться без участия разработчика.

В ряде случаев в типовой (базовый) технологический маршрут вводят специальные слои (например, для формирования резисторов, конденсаторов) При этом, естественно, количество топологических слоев возрастает.

3.2 Проектирование топологии КМОП.

Разработка топологии (топологической документации) должна выполняться по определенным правилам топологического проектирования, которые зависят от технологии изготавления схемы.

Основными характеристическими параметрами конкретной КМОП-технологии являются:

39

Для оптимизации топологии транзисторов и всего кристалла целесообразно , наряду с простейшими, использовать и более сложные конфигурации МОП-транзисторов. Критериями оптимизации топологии обычно являются занимаемая площадь (как отдельного прибора, так и схемы в целом или ее фрагмента), быстродействие и другие характеристические параметры.

Правила проектирования. Правила проектирования (проектные нормы) предназначены для установления связи между требованиями проектирования и технологическими возможностями. Они ориентированы на обеспечение оптимального процента выхода годных схем с минимальной занимаемой площадью при гарантированной надежности их работы. Конечно, правила можно рассматривать как компромисс между производительностью и стоимостью (процентом выхода годных схем): консервативные, или пессимистические (строгие) правила обеспечивают больший процент выхода, но ограничивают достижение высокой эффективности схем; агрессивные, или оптимистические правила позволяют улучшить характеристики схем (быстродействие, степень интеграции), но налагают более жесткие требования на технологию и могут снизить выход годных или надежность схем.

Проектные нормы содержат перечень допустимых значений геометрических параметров элементов топологии, в том числе минимальную (и максимальную) ширину элементов , расстояния между ними в одном слое, расстояния и перекрытие элементов в разных слоях, возможную ориентацию (поворот) элементов. В проектные нормы входят конфигурация и размеры стандартных элементов периферии кристалла: контактных площадок, схем защиты от статического электричества. Кроме того, правила проектирования содержат требования, обусловленные особенностями технологических процессов. Они могут ограничивать максимальную площадь проводников, подсоединенных к затвору (для устранения «антенного эффекта»), степень заполнения металлом площади кристалла, свободные поля по периферии кристаллав для их отделения от пластины и др.

Правила проектирования привязываются к минимальному топологическому размеру F. При микронных топологических размерах можно руководствоваться достаточно простыми обобщенными правилами проектирования, основанными на предположении, что отклонение любой границы раздела при ее формировании не превышает определенной (во многих случаях одинаковой) доли минимального топологического размера. Это позволяет задавать минимальные размеры элементов и их взаимное расположение кратными параметру λ = F/2. Подобный подход продемонстрирован на примерах минимального транзистора (рис.3.2), соединения двух однотипных транзисторов (рис.3.3) и КМОП-вентиля (рис.3.4).