1、CMOS工藝下微壓力傳感器設(shè)計(jì)方案CMOS工藝下微壓力傳感器設(shè)計(jì)方案目 錄引言1第一章 緒論21.1壓力傳感器概述21.2 傳感器制造工藝概述21.2.2 MEMS工藝概述31.2.3 CMOS和MEMS工藝結(jié)合31.3研究現(xiàn)狀41.4課題研究意義61.5本論文的主要工作6第二章CMOS工藝下壓力傳感器的原理分析72.1 MOSFET管的理論分析72.2應(yīng)力82.3壓阻效應(yīng)92.3 本章小結(jié)10第三章 CMOS壓力傳感器的仿真與分析113.1傳感器電路原理分析113.2壓力特性的仿真與分析123.2.1傳感器在壓力下的形變123.2.2 傳感器在壓力下應(yīng)力的分布133.2.3 壓力特性仿真的誤

2、差來源分析163.3電路特性的仿真與分析163.4本章小結(jié)19第四章 版圖設(shè)計(jì)204.1版圖設(shè)計(jì)流程204.2版圖設(shè)計(jì)規(guī)則與技巧214.2.1版圖設(shè)計(jì)的基本元器件214.2.2版圖設(shè)計(jì)規(guī)則224.2.3 版圖設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)234.3版圖的繪制與驗(yàn)證244.3.1 版圖244.3.2 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）254.3.3 版圖與電路圖的一致性檢查（LVS）254.4后仿真254.6本章小結(jié)27第五章 芯片加工工藝的討論285.1 CMOS加工工藝討論285.2 MEMS加工工藝討論285.2.1光刻工藝285.2.2刻蝕工藝295.2.3除膠工藝295.2.4 MEMS加工失敗原因分析305.3

3、 本章小節(jié)31第六章 總結(jié)與工作展望326.1 結(jié)論326.2工作展望32參考文獻(xiàn)34摘 要CMOS結(jié)合MEMS制作的壓力傳感器容易在芯片上集成，且具有體積小、功耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)。本文研究了一種基于CMOS工藝與MEMS工藝結(jié)合制造的微壓力傳感器。并對傳感器的工作原理、版圖設(shè)計(jì)、加工工藝等方面進(jìn)行了研究。利用MOS管溝道區(qū)域的壓阻效應(yīng)、MOS管電學(xué)特性等理論知識，設(shè)計(jì)了壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)的壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、具有較好的靈敏度。本文還對傳感器的力學(xué)特性和電學(xué)特性進(jìn)行了仿真，通過仿真得到傳感器靈敏度為185mV/Mpa。最后根據(jù)傳感器的原理設(shè)計(jì)了版圖，在芯片制造廠商進(jìn)行了流片，并

4、對傳感器制作過程中所涉及到了基本工藝進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)了MEMS加工所需的掩膜版。關(guān)鍵字 壓阻效應(yīng) 壓力傳感器 CMOS MEMSA Micro Pressure Sensor Based On CMOSABSTRACT CMOS combined with MEMS pressure sensor is easy to integrated on chip.It has small volume, low power consumption and high performance.This paper research on a CMOS and MEMS compatible inregr

5、ated pressure sensor.This paper describes the work theory,structure design,fabrication process of pressure sensor.The main contents of the paper are about a pressure that based on the piezoresistive effect of MOSFET channel region, the electrical characteristics of the MOSFET.The pressure sensor is

6、small ,simple and has a good sensitivity.The mechanical properties and electrical characteristics of the sensor are simulated,and The sensitivity of the sensor is 185mV/Mpa.According to the principle of the sensor,we design the necessary map.we make chips in the chip manufactures.The key parts of se

7、nsors production process involved in the MEMS and CMOS technology are explores in theoretical aspects. And we design the necessary lithograthy mask design map.Keywords piezoresistive effect pressure sensor CMOS MEMS引言傳感器與生活中的各行各業(yè)有著緊密的聯(lián)系。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，如在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)檢測、心血管疾病的診斷和治療等方面?zhèn)?/p>

8、感器已經(jīng)十分普及。在環(huán)境檢測、軍事等方面?zhèn)鞲衅饕灿兄芏嗟膽?yīng)用。傳感器的種類很多，以傳感器的功能來說可以分為速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。其中壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、成本低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)過程監(jiān)控、生物、航空、環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域。壓力傳感器的大部分材料是硅，后來又由于硅集成工藝的發(fā)展，以硅襯底為材料的壓力傳感器更是得到了驚人的發(fā)展。采用硅壓力傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點(diǎn)。硅傳感器制造工藝還與集成電路工藝相兼容，滿足了傳感器向智能化方向發(fā)展的要求。在傳感器的制造技術(shù)方面，廣泛采用的是CMOS技術(shù)。從上個(gè)世紀(jì)八十年代起，已經(jīng)有人開始研究利用標(biāo)準(zhǔn)

9、CMOS工藝技術(shù)來制作各種傳感器，如電容式傳感器、壓阻式傳感器、光電式傳感器、場效應(yīng)晶體管式傳感器等。CMOS技術(shù)由于其固定的工藝流程有利于批量生產(chǎn)，很多半導(dǎo)體制造廠商都會提供CMOS工藝加工。但是對于有結(jié)構(gòu)有特殊要求的傳感器CMOS工藝往往不能滿足其要求，這時(shí)就可以通過MEMS工藝來制作傳感器。MEMS相對于CMOS來說可以集成更多器件類型和結(jié)構(gòu)功能，現(xiàn)在MEMS技術(shù)制造的傳感器在我們生活中也得到了很多的應(yīng)用。當(dāng)今傳感器制造還有一個(gè)探究重點(diǎn)就是將MEMS技術(shù)和CMOS技術(shù)結(jié)合。采用兩種技術(shù)制造的傳感器，既可以實(shí)現(xiàn)傳感器的批量生產(chǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)芯片的多樣性，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，未

10、來的的市場也相當(dāng)可觀。第一章 緒論1.1壓力傳感器概述 傳感器的作用就是將自然界中存在的各種非電量信息轉(zhuǎn)化成可測的電信號，為人們探知和控制提供必要的條件和依據(jù)1。隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化的技術(shù)不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越為人們所重視，已成為制造自動化和信息化的基礎(chǔ)2。傳感器技術(shù)同計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與通信技術(shù)被稱為信息技術(shù)的三大產(chǎn)業(yè)3，其發(fā)展是一個(gè)代表國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。在各種功能的傳感器中，壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、成本低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)過程監(jiān)控、生物、航空、環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域145，可以說是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。自1954年Smith等人開始

11、研究半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)開始，基于壓阻效應(yīng)制作的壓力傳感器就開始得到了實(shí)際的應(yīng)用，又由于硅集成工藝的發(fā)展，以硅襯底為材料的壓力傳感器更是得到了驚人的發(fā)展6。采用硅壓力傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點(diǎn)，特別是半導(dǎo)體傳感器制造工藝與集成電路工藝相兼容，滿足了傳感器向智能化方向發(fā)展的要求7 。1.2 傳感器制造工藝概述1.2.1 CMOS工藝概述在很多領(lǐng)域微型計(jì)算機(jī)使用的越來越廣泛，這就要求壓力傳感器更加小、更加準(zhǔn)確，并且能與集成電路相兼容。這對制造技術(shù)是一個(gè)很大的考驗(yàn)。現(xiàn)在傳感器的制造技術(shù)廣泛采用的是CMOS工藝。CMOS工藝是指將NMOS和PMOS制作在同一硅襯底上的工藝。從上個(gè)世紀(jì)八十年代起

12、，已經(jīng)有人開始研究利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)來制作各種傳感器，如電容式傳感器、壓阻式傳感器、光電式傳感器，場效應(yīng)晶體管式傳感器等2。CMOS具有它具有極低的靜態(tài)功耗密度、抗干擾性好、工作電源電壓范圍寬、輸入阻抗高、電容設(shè)計(jì)容差大等優(yōu)點(diǎn)8。而且CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝上所需的材料的種類，材料的加工流程，加工參數(shù)都是固定的，其使用非常廣泛，很多廠商都會提供CMOS工藝加工，如國內(nèi)臺積電、華潤上華、華晶，國外的MOSIS公司等。CMOS工藝的這些特點(diǎn)非常有利于大規(guī)模的生產(chǎn)制造集成電路和傳感器的產(chǎn)量化。1.2.2 MEMS工藝概述由于CMOS工藝很多工藝流程都是固定不變的，對于一些結(jié)構(gòu)有特殊要求的傳感器來說CM

13、OS工藝可能滿足不了其制作要求。尤其是微型傳感器，其外界物理量、化學(xué)量對傳感器檢測量的改變很小，這對于CMOS工藝的兼容來說一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。此時(shí)采用MEMS工藝技術(shù)則是一個(gè)很好的選擇910。MEMS是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)，微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理電路、通信和電源為一體的微型器件或系統(tǒng)5。MEMS技術(shù)是作為力學(xué)，聲學(xué)，光學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域與電子電路溝通的橋梁1011，是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。其特點(diǎn)是體積小、性能好、效率高、便于集成12。相對于CMOS工藝來說，MEMS工藝能集成更多的器件類型和結(jié)構(gòu)功能。以MEMS工藝制造的壓力傳感器，在我們生活中也得到了越來越多的應(yīng)用，如有學(xué)

14、者研究一種MEMS壓力傳感器可以對義齒進(jìn)行檢測、在高端運(yùn)動手表里面有很多采用MEMS技術(shù)制造的壓力傳感器。運(yùn)用MEMS加工技術(shù)制作的壓力傳感器憑借其體積小、功耗低、靈敏度高、重量輕、易于集成以及耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn) 16，將有很大的發(fā)展空間。1.2.3 CMOS和MEMS工藝結(jié)合由于大多數(shù)MEMS器件所需的獨(dú)特制造工藝，使其不能得到廣泛的發(fā)展，所以當(dāng)今傳感器還有一個(gè)探究重點(diǎn)就是將標(biāo)準(zhǔn)CMOS加工工藝和MEMS加工工藝結(jié)合。在早期，CMOS和MEMES的結(jié)合存在很大的困難。如MEMS包含一些可動的機(jī)械構(gòu)件，不能采用CMOS傳統(tǒng)方法進(jìn)行封裝。還有CMOS和MEMS設(shè)計(jì)思路也不相同，CMOS是從上往

15、下設(shè)計(jì)，而MEMS是從下往上設(shè)計(jì)。但是隨著MEMS器件研究的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，MEMS迫切需要量產(chǎn)和走入市場，MEMS工藝和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝結(jié)合的制造工藝也得到了發(fā)展。采用CMOS工藝和MEMS工藝結(jié)合的制造工藝。根據(jù)CMOS和MEMS工藝的加工順序可分為pre-CMOS、post-CMOS、intermediate-CMOS三種形式1。由于CMOS和與MEMS結(jié)合的技術(shù)尚不完全成熟，每種加工形式都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。post-CMOS是先完成CMOS工藝的加工，然后在根據(jù)設(shè)計(jì)需要在MEMS后加工過程中完成傳感的部分，不需要和CMOS工藝流程綁定在一起，但是后加工時(shí)容易受到溫度或刻蝕的影響

16、，對芯片造成損壞。pre-CMOS可以避免溫度或刻蝕的影響，但是CMOS電路制作時(shí)很難保證表面的光滑。在實(shí)際傳感器的制作過程中，需要根據(jù)傳感器的不同需求選用不同方法。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以CMOS與MEMS結(jié)合制造的傳感器憑借其易于集成，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的研究。已經(jīng)有很多學(xué)者利用CMOS工藝和MEMS工藝結(jié)合來研究制作傳感器，其中包括壓力傳感器、速度傳感器、濕度傳感器等。王陽設(shè)計(jì)了一種與CMOS工藝兼容的梳狀電極結(jié)構(gòu)的集成微電容傳感器。在這個(gè)傳感器中，敏感電容與信號讀出電路集成在同一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化、低成本、高性能生產(chǎn)的特點(diǎn)。但是存在的不足有不能預(yù)測微小電

17、容的變化，對后期加工、測試造成了一定的影響2。周閔新設(shè)計(jì)了一種兼容CMOS工藝的電路，可用于集成電容式傳感器的設(shè)計(jì)和加工。他還提出了一種固體電容式傳感器，這種傳感器可以作為MEMS傳感器的一個(gè)基本單元13。劉娜，黃慶安等人采用一種新型的CMOS工藝結(jié)合MEMS工藝研制出了一種電容式絕對壓力傳感器（如圖1-2）。其傳感器是由導(dǎo)體和介質(zhì)層組成可變電容。這種電容絕對壓力傳感器，具有更大的初始固有電容，并且能抑制寄生電容21。圖1-2 劉娜設(shè)計(jì)的電容式絕對壓力傳感器Pradeep Kumar Rathore等人設(shè)計(jì)出一種基于COMS和MEMS工藝的橋梁式結(jié)構(gòu)的壓力傳感器（如圖1-3），其中采用的是標(biāo)準(zhǔn)

18、5m的CMOS工藝。其原理主要是基于壓阻效應(yīng)，當(dāng)壓力改變時(shí)，MOSFET里面的載流子遷移率發(fā)生改變，從而改變電路的輸出電壓。最后優(yōu)化后傳感器的靈敏度為1.61V/Mpa，這種結(jié)構(gòu)適用于在醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域 14。圖1-3 Pradeep Kumar Rathore設(shè)計(jì)的橋梁式壓力傳感器李凌宇針對市場和科研的需求設(shè)計(jì)了一種基于MEMS和CMOS加工的SOI基納米硅薄膜的壓阻式壓力傳感器（圖1-4）。這種傳感器填補(bǔ)了國內(nèi)超微壓、高精度傳感器的空白，雖然工藝實(shí)現(xiàn)有所不足，但是對MEMS壓力傳感器研究打下了一定基礎(chǔ)15。圖1-4李凌宇設(shè)計(jì)的壓阻式壓力傳感器Zhao-Hua Zhang等人設(shè)計(jì)了一

19、種MEMS壓力傳感器（圖1-5），其中用兩個(gè)MOSFET和兩個(gè)壓敏電阻組成惠斯頓電橋作為傳感器的敏感元件，與傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器相比，該傳感器的靈敏度更高，制造成本更加低廉，而且能與標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝兼容。這種芯片可用于研究汽車電子領(lǐng)域的壓力檢測系統(tǒng)17。圖1-5 Zhao-Hua Zhang設(shè)計(jì)的MEMS壓力傳感器Sun等人采用CMOS和MEMS結(jié)合的工藝研制出了一種三軸微加速度傳感器。其采用的是post-CMOS工藝，先通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS 0.35m工藝加工出整體結(jié)構(gòu)，在通過MEMS 干法刻蝕加工其余微結(jié)構(gòu)18。陳燕等人研究出了一種基于0.5m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的新型L型負(fù)阻器件。這種器件功耗較

20、低，同時(shí)能夠節(jié)省器件數(shù)目，減小芯片占用面積，降低成本19。Qiu等人基于標(biāo)準(zhǔn)0.6 m CMOS工藝研制了一種電容式濕度傳感器。完成CMOS工藝后利用MEMS工藝制作了一層感濕薄膜，并將感濕薄膜和讀出記錄集成在一個(gè)芯片上。這種傳感器有利于提高集成度和靈敏度20。萬求真基于0.18m CMOS工藝設(shè)計(jì)了兩種高性能的混頻器。利用CMOS工藝讓混頻器尺寸更小、成本更低、功耗更低22。CMOS工藝和MEMS工藝結(jié)合制造的傳感器由于其靈敏度高、利于集成等優(yōu)點(diǎn)，成為了學(xué)者的研究重點(diǎn)。其中post-CMOS加工技術(shù)相較于其余兩種技術(shù)工藝更加簡單，更是受到了研究者的青睞，如Sun、Qiu、周閔新、萬求真等學(xué)者

21、都是采用這種工藝研制傳感器，他們研制的傳感器都有著較好的性能。綜上所述，本文使用CMOS工藝和MEMS工藝結(jié)合研制了一種基于MOS管溝道區(qū)域壓阻效應(yīng)的壓力傳感器，并針對這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種壓力-電壓信號讀出電路，將傳感器隨著外界壓力的變化轉(zhuǎn)化成便于后期處理的電壓量。1.4課題研究意義壓力傳感器是各類傳感器中技術(shù)最成熟、性價(jià)比最高、性能最好的一類傳感器，在現(xiàn)代測量事業(yè)的發(fā)展中具有非常重要的地位。用CMOS工藝制造壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)傳感器的量產(chǎn)化，而MEMS技術(shù)可以制造出種類更多、用途更廣的壓力傳感器。采用MEMS工藝和CMOS工藝結(jié)合的工藝制造壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)的多樣性，產(chǎn)品的量產(chǎn)化2

22、?，F(xiàn)在兩種技術(shù)結(jié)合已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，雖然兩種工藝不能現(xiàn)在還不能完全的兼容，但是隨著MEMS器件的量產(chǎn)化需求，CMOS與MEMS相結(jié)合的傳感器是未來發(fā)展的大趨勢，未來的市場發(fā)展也相當(dāng)可觀。1.5本論文的主要工作第一章對壓力傳感器做了概述，介紹了CMOS工藝和MEMS工藝以及其結(jié)合后的優(yōu)勢，介紹了有關(guān)CMOS工藝及MEMS工藝下傳感器的研究現(xiàn)狀，探討了課題的研究意義。第二章提出了此次研究的壓力傳感器的基本原理，包括的飽和狀態(tài)下的MOSFET管的電學(xué)特性分析、應(yīng)力和壓阻效應(yīng)的理論分析。第三章提出了的壓力傳感器結(jié)構(gòu)和電路原理圖，并對其特性進(jìn)行仿真，包括用COMSOL對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行

23、壓力特性的仿真，用Tspice對電路特性進(jìn)行仿真。第四章主要是根據(jù)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)。分析的內(nèi)容主要包括設(shè)計(jì)規(guī)則、器件選型、寄生參數(shù)的分析和版圖校驗(yàn)，并根據(jù)提取的寄生參數(shù)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了后仿真。第五章分析和討論了芯片加工的后續(xù)工藝。包括標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝、MEMS工藝。并設(shè)計(jì)了MEMS加工所需的掩膜版。第六章給出了全文的結(jié)論和后續(xù)工作的建議。第二章CMOS工藝下壓力傳感器的原理分析2.1 MOSFET管的理論分析在MOSFET管中，某一點(diǎn)的電流密度J可以表示為 J=QVd（2-1）其中Q表示導(dǎo)體中某點(diǎn)單位體積的空穴電量， Vd表示載流子平均漂移速度。而平均漂移速度Vd又可表示為|E|，其中表示

24、載流子的平均遷移速度。則對于n型半導(dǎo)體材料有 J=Q|E|（2-2）根據(jù)歐姆定律的微分形式 J=|E|（2-3）其中表示電導(dǎo)率。根據(jù)電流密度J的兩個(gè)表達(dá)式（2-2）和（2-3）可以得到 =Q （2-4）若MOSFET的柵極寬度為W，x點(diǎn)的電壓為V(x)，則x點(diǎn)附近的單位面積的空穴電荷可以表示為 Q(x)=Cox（|VGS|-|Vtn|-|V(x)|） （2-5）其中Cox表示單位面積的電容。溝道長度為dx的電阻dR可以表示為dR=dxQ（x）W （2-6）若漏極電流為ID,則沿溝道X方向的電壓降 dV(x)=ID*dR= ID*dxQ（x）W （2-7）對公式(2-7)從0到L積分可以得到 I

25、D=-C0xWL2VGS-VtnVDS-VDS22 （2-8）當(dāng)MOS管處于飽和狀態(tài)時(shí)有|VDS|VGS|-|Vtn|。當(dāng)漏源電壓增大時(shí)，溝道漏極的導(dǎo)電層會變薄。而當(dāng)漏源電壓增大到和|VGS|-|Vtn|相等時(shí)，溝道就會發(fā)生夾斷。此時(shí)，若繼續(xù)增大|VDS|,夾斷點(diǎn)會向源端移動。而溝道兩端的電壓不變，漏極電流也不變。增加的電壓落在了夾斷的耗盡層區(qū)內(nèi)。此時(shí)根據(jù)公式（2-8），漏極電流的表達(dá)式可以表示為23： ID=-C0xWL(|VGS|-|Vtn|)22（2-9）2.2應(yīng)力當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱之為應(yīng)變。此時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生了和外力相反的作用抵抗

26、外力，我們把內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱之為應(yīng)力24。如圖2-1所示，在物體的的一點(diǎn)Q中，取正方體做單元體。其棱平行于直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸。在單元體中取三個(gè)互相垂直的表面作為微分面。則可以用質(zhì)點(diǎn)在三個(gè)微分面上的應(yīng)力來完整地描述此單元體的應(yīng)力狀態(tài)。在三個(gè)微分面上的應(yīng)力可以按照坐標(biāo)方向分為三個(gè)分量，在這三個(gè)分量中與微分面垂直的分量稱為正應(yīng)力分量，其余兩個(gè)則為剪應(yīng)力分量。圖2-1 應(yīng)力分量而表示應(yīng)力狀態(tài)的九個(gè)應(yīng)力分量構(gòu)成的一個(gè)二階張量稱為應(yīng)力張量?？捎脧埩糠杋j表示。由于應(yīng)力張量的切應(yīng)力互等，所以二階張量是二階對稱張量?？梢员硎緸椋篿j=xxxyxzxyyyyzxzyzzz（2-10）表2-1 主應(yīng)力和最大切

27、應(yīng)力、最大正應(yīng)力的關(guān)系lmn切應(yīng)力正應(yīng)力012122-322+32120123-121+32121201-221+22通過受力物理的一點(diǎn)，可以作做無限個(gè)截面，在其中總有三個(gè)截面其剪切應(yīng)力為0，我們將其截面稱為主平面，其主平面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。三個(gè)主平面上的主應(yīng)力我們用1，2，3表示，其中123。通過三個(gè)主應(yīng)力可以的得到任意平面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力。對于主應(yīng)力1，2，3都不為0的情況，其最大剪切力和主應(yīng)力對應(yīng)的關(guān)系如表2-1所示，其中l(wèi)，m，n分別代表最大切應(yīng)力平面在在三個(gè)主平面的方向余弦。2.3壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，電阻率（或電阻）發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是C.S史密斯在195

28、4年對硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測試中發(fā)現(xiàn)的。壓阻效應(yīng)是各向異性的，壓阻效應(yīng)用級數(shù)展開的形式表示為ij=0ij+ijklkl+ijklmnklmn（2-11）其中0ij表示外界沒有壓力時(shí)的電阻率分量，ijkl和ijklmn表示誘導(dǎo)電阻率發(fā)生變化的四階、六階和更高分量的分量。kl，mn則表示應(yīng)力張量。在一般應(yīng)力比較小的情況下，只用到低階部分，電阻率和應(yīng)力的關(guān)系可以表示為 ij=0ij+ijklkl（2-12）則電阻率的變化可以表示為 ij=ijklkl （2-13）由表達(dá)式可以看出kl是二階應(yīng)力張量，對應(yīng)有xx，xy，xz，yx，yy，yz，zx，zy，zz共9個(gè)分量，而9個(gè)分量對應(yīng)了81個(gè)壓

29、阻系數(shù)分量。將壓阻系數(shù)的下標(biāo)做如下簡化XX:1 ,YY:2,ZZ:3,YZ:4,ZX:5,XY:6后電阻的變化率可以表示為如下矩陣方程 123456=111213141516212223242526313233343536414243444546515253545555616263646566123456（2-14）根據(jù)公式（2-13）可以看出電阻率分量ij和應(yīng)力分量ij的線性變化關(guān)系相同。又根據(jù)公式（2-10）可以得出結(jié)論ijkl=jikl。同樣，在ij中存在ij=ji，及ijkl=ijlk。所以在81個(gè)壓阻系數(shù)分量重只剩下36個(gè)分量。對于立方晶體來說，有壓阻效應(yīng)是對稱的、剪切應(yīng)力只能在剪切

30、平面產(chǎn)生壓阻效應(yīng)等特性。經(jīng)過簡化后的矩陣方程可以表示為25 123456=111212000121112000121211000000440000004400000044123456 （2-15）其中11是指縱向壓阻系數(shù)，12是指橫向壓阻系數(shù)，44是指剪切壓阻系數(shù)。對于下的室溫n型單晶硅來說縱壓阻系數(shù)11=-102.2*10-11Pa-1，橫向壓阻系數(shù)12=53.4*10-11Pa-1，剪切系數(shù)44=-13.6*10-11Pa-1。在計(jì)算時(shí)只取橫向壓阻系數(shù)和縱向壓阻系數(shù)。需要注意的是公式（2-15）所表示的三個(gè)系數(shù)都是相對于晶軸坐標(biāo)系的。其任意晶向壓阻系數(shù)和晶軸方向的壓阻系數(shù)換算關(guān)系如下： l

31、=11-2(11-12-44)(l12m12+ m12n12+ l12n12)（2-16） t=12-2(11-12-44)(l12l22+ m12m22+ n12n22)（2-17）其中（l1，m1，n1），(l2，m2，n2)分別代表了縱向壓阻和橫向壓阻在主晶軸坐標(biāo)系下的方向余弦。2.3 本章小結(jié)本小節(jié)對此次設(shè)計(jì)的壓力傳感器所涉及到的原理進(jìn)行了分析，包括飽和狀態(tài)下MOS管漏極電流公式的推導(dǎo)，單晶硅壓阻系數(shù)的理論推導(dǎo)，主應(yīng)力和各個(gè)平面的剪切應(yīng)力的理論推導(dǎo)。第三章 CMOS壓力傳感器的仿真與分析3.1傳感器電路原理分析本次設(shè)計(jì)的壓力傳感器信號讀出電路原理圖如圖3-1所示，傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-

32、2所示。電路圖中的M1為參考MOS管，不會受到外力作用。M2、M3將會受到外力作用，其中M2代表結(jié)構(gòu)圖中溝道區(qū)域靠近傳感器邊緣的MOS管，M3代表溝道區(qū)域位于傳感器中間的MOS管。通過調(diào)整電路參數(shù)，使3個(gè)MOS管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，若有壓力作用于M2或者M(jìn)3時(shí)，由于MOS管的溝道區(qū)域存在壓阻效應(yīng)，溝道區(qū)域的電阻率會發(fā)生變化，根據(jù)公式（2-4）可以得知，電阻率變化以后MOS管的溝道遷移率會發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)公式（2-9），可以知道遷移率變化后MOS管漏極電流 ID =-()C0xWL(|VGS|-|Vtn|)22（3-1）電阻RD可以把漏極電流的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓的變化。所以通過M2、M3漏

33、端電壓的變化，可以反應(yīng)在M2或M3上壓力的大小。通過壓力和輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析可以得到此傳感器的靈敏度等參數(shù)。圖3-1 電流鏡式壓力傳感器電路原理圖在圖3-1所示的電路中，M2、M3的參數(shù)需要完全一致。因?yàn)檫@兩個(gè)MOS管是分別用來感應(yīng)傳感器不同位置的壓力，最后輸出電壓是通過M2、M3漏端電壓的計(jì)算得到的，保持參數(shù)一致才能排除器件參數(shù)對數(shù)據(jù)分析的影響。在本次設(shè)計(jì)的電路中，柵源極電壓需要大于MOS管的閾值電壓，其作用是使MOS管處于飽和狀態(tài)，從而滿足公式（2-9）的計(jì)算條件。在圖3-1所示的電路中M1、M2、M3三個(gè)MOS管的柵極通過M1漏極的電阻連接到高電平，使3個(gè)MOS管的柵源電壓相同。

34、這樣做有幾個(gè)好處，一是通過調(diào)節(jié)M1的電路參數(shù)可以使3個(gè)MOS管同時(shí)處于飽和狀態(tài)。二是由于M1在傳感器中不會受到外力的作用，其漏端電壓也不會因?yàn)閭鞲衅魇艿降膲毫Φ淖兓l(fā)生改變，從而保證了測量壓力過程中MOS管柵極電壓保持不變，根據(jù)公式（3-1），在柵源電壓不變的情況下，溝道遷移率是影響漏極電流的唯一因素。三是簡化了電路和版圖設(shè)計(jì)。圖3-2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖3.2壓力特性的仿真與分析本文研究所用的傳感器類似橋式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖3-2所示。當(dāng)在傳感器上施加壓力時(shí)，芯片被減薄的區(qū)域會發(fā)生發(fā)生形變。溝道區(qū)域位于形變區(qū)域的MOS管會受到壓力產(chǎn)生的應(yīng)力，從而產(chǎn)生相應(yīng)的溝道遷移率的變化。本小節(jié)將要仿真壓力

35、變化對傳感器帶來的影響。3.2.1傳感器在壓力下的形變本小節(jié)仿真主要是用CMOSOL力學(xué)模塊分析傳感器在壓力下的形變。傳感器在壓力下的形變可以直觀對壓力傳感器的抗壓能力有一定的了解，對后續(xù)封裝等工藝的選擇也有一定的參考意義。由圖3-2可以看出，傳感器的芯片有一部分是被減薄的。在實(shí)際加工出的芯片中，被減薄部分的厚度大約為2.5m，而未減薄的部分大約有300m。所以在芯片上施加壓力時(shí)，未被減薄的部分可以近似認(rèn)為沒有發(fā)生形變，在仿真時(shí)只需模擬形變部分。此次仿真采取的方案是將發(fā)生形變的區(qū)域提取出來，未發(fā)生形變的區(qū)域等效為固定端。在COMSOL的固體力學(xué)模塊中，可以采用對邊的固定約束，代替未減薄區(qū)域?qū)π?/p>

36、變區(qū)域的約束。采用一定的邊界載荷，來代替外界施加的壓力。本此仿真采用的是100m*100m*2.5m的p型單晶硅來等效減薄區(qū)域的硅襯底。用1Mpa的邊界載荷來模擬芯片表面施加1Mpa壓力時(shí)芯片產(chǎn)生的形變。圖3-3為COMSOL模擬的結(jié)果。圖3-3在芯片表面施加1Mpa壓力時(shí)的形變由圖3-3的模擬結(jié)果可以看出，在硅片的兩個(gè)固定端,也就是在在減薄區(qū)域的和未減薄區(qū)域的的交接處,芯片基本不會發(fā)生形變。由芯片的2個(gè)固定端向芯片的中間芯片形變的逐漸增大，最大的形變發(fā)生在傳感器的正中間。最大形變量約為1.2m。3.2.2 傳感器在壓力下應(yīng)力的分布 根據(jù)公式（2-13）可以看出，造成半導(dǎo)體電阻率發(fā)生改變的主要

37、受半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)和應(yīng)力的影響。由于壓阻系數(shù)是半導(dǎo)體本身特性，不會因?yàn)閴毫Πl(fā)生改變。對于本次研究的傳感器來說，正是由于MOS管溝道區(qū)域受到的應(yīng)力不同，其電導(dǎo)率也不同。所以有必要對溝道區(qū)域受到的應(yīng)力進(jìn)行分析。圖3-4在芯片表面施加1Mpa壓力時(shí)第一主應(yīng)力的分布圖3-4為在傳感器整個(gè)表面上施加1Mpa壓力下，第一主應(yīng)力的分布圖。從圖上我們可以清晰看到最大的應(yīng)力出現(xiàn)在傳感器的兩個(gè)固定端，從兩個(gè)固定端到中間應(yīng)力逐漸減小，在某一位置應(yīng)力減小為0后，出現(xiàn)負(fù)值并且繼續(xù)減小。這說明在傳感器上施加壓力，傳感器不僅有正應(yīng)力，還出現(xiàn)了負(fù)應(yīng)力，而且正應(yīng)力在兩個(gè)固定端達(dá)到最大，負(fù)應(yīng)力在正中間達(dá)到最大。為了觀察應(yīng)力的極值

38、，我們在芯片正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力最大的地方分別制作兩個(gè)MOS管，也就是圖3-1中的M2和M3。由公式（2-9）可知，在源漏電壓固定的情況下，MOS管的漏極電流在壓力作用下的變化主要是由于溝道載流子遷移率的變化導(dǎo)致的。溝道遷移率的變化率0可以表示為等效電阻的電阻變化率RR0，并且它們是成反比變化的。具體關(guān)系如公式（3-2） n-RR0 (ll+tt)（3-2）其中l(wèi)，l，t，t分別代表了任意晶向的縱向壓阻系數(shù)，縱向應(yīng)力，橫向壓阻系數(shù)和橫向應(yīng)力。CMOS集成電路采用的是晶向的硅材料，此方向具有較高的載流子遷移率。有實(shí)驗(yàn)證明，其在和下的有最大橫向壓阻系數(shù)和縱向壓阻系數(shù)。通過公式 （2-16）、（2-17）

39、和2.3小節(jié)中提供的晶軸方向上壓阻系數(shù)的數(shù)據(jù)可計(jì)算出l=t24.4*10-11Pa-1。而縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力則可以通過主應(yīng)力計(jì)算得到。 通過圖3-3中CMOSOL的仿真可以測出在不同壓力下，處于MOS管溝道區(qū)域的芯片第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力的分布情況。表3-1和表3-2是通過CMOSOL記錄的不同壓力下兩個(gè)MOS管溝道區(qū)域三個(gè)主應(yīng)力的數(shù)據(jù)。表3-1 M2在不同壓力下應(yīng)力分布壓力(Kpa)1（106pa）2（106pa）3（106pa）000020017667.4664003531351326005292021988007052702641000882337330通過最大壓阻系數(shù)平面在

40、主平面上的投影，我們可以得到l=0 ，m=12，n=12。根據(jù)表2-1，我們可以計(jì)算出MOS管溝道區(qū)域的最大縱向應(yīng)力和最大橫向應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果如表3-3、表3-4所示。表3-2 M3在不同壓力下應(yīng)力的分布壓力(Kpa)1（106pa）2（106pa）3（106pa）0000200-0.319-19.4-77.7400-0.64-38.9-155600-0.96-58.2-233800-1.28-77.7-3111000-1.6-97.1-388表3-3 M2不同壓力下的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力壓力（Kpa）02004006008001000縱向應(yīng)力l（106pa）066.7133.5200267333

41、.5橫向應(yīng)力t（106pa）00.71.5233.53-4 M3不同壓力下的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力壓力（Kpa）02004006008001000縱向應(yīng)力l（106pa）0-48.55-96.95-145.6-194.35-242.55橫向應(yīng)力t（106pa）029.1558.0587.4116.65145.45通過公式（3-1）、表3-3、表3-4提供的數(shù)據(jù)，我們可以得出在不同壓力下的MOS管的區(qū)域溝道遷移率的變化率。其結(jié)果如表3-5、表3-6所示。表3-5 M2溝道區(qū)遷移率的變化率壓力（Kpa）02004006008001000/00.0164460.032940.0492880.065880

42、.082228表3-6 M3溝道區(qū)遷移率的變化率壓力（Kpa）02004006008001000/0-0.00473-0.00949-0.0142-0.01896-0.02369查閱工藝書可以得到本次研究所用MOS管的初始溝道遷移率495cm2/Vs。根據(jù)表3-5和表3-6的計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算出在不同壓力下MOS管的溝道遷移率。其結(jié)果整理如圖3-5所示。通過上面仿真和理論計(jì)算，我們得到了在不同壓力下，MOS管的溝道遷移率。從結(jié)果圖3-5我們可以看出，隨著壓力的增大，位于固定端的MOS管M2的溝道遷移率成線性的增大。在外界壓力改變1Mpa時(shí)，其遷移率大約改變了40cm2/Vs。而位于正中間的MOS

43、管M3的溝道遷移率線性減小。在外界壓力改變1Mpa時(shí)，其遷移率大約改變了12cm2/Vs。圖3-5MOS管在不同壓力下的溝道遷移率3.2.3 壓力特性仿真的誤差來源分析通過這種方法計(jì)算出來的溝道遷移率和實(shí)際溝道遷移率理論上有一定誤差，其誤差來源主要有兩個(gè)。一個(gè)是MOS管的溝道區(qū)域是n型硅，由于仿真無法通過合成兩種材料模擬應(yīng)力分布，只能用p型硅在MOS管溝道區(qū)域的應(yīng)力分布來代替MOS管溝道區(qū)域的應(yīng)力。第二個(gè)是MOS管溝道區(qū)域有一定厚度和寬度，但是在仿真時(shí)只取溝道區(qū)域表面的一點(diǎn)應(yīng)力。由于MOS管溝道區(qū)域的體積相對于P型襯底的體積很小，所以實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)論還是具有可信度。3.3電路特性的仿真與分析根據(jù)公

44、式（2-9）我們可以看出，對于MOS管來說，影響漏極電流的可變因素只有柵源電壓和漏極電流。根據(jù)我們設(shè)計(jì)的電路圖2-1可以看出M1、M2、M3的柵源電壓接到了M1的漏端。在本次試驗(yàn)中M1的漏端電壓不會發(fā)生改變及保證了M1、M2、M3的柵源電壓不會變化。從而保證了溝道遷移率成為了影響漏極電流的唯一因素。本小節(jié)的內(nèi)容就是通過電路仿真計(jì)算溝道遷移率的變化對漏極電流的影響。由于電路圖（圖3-1）可以看出,M2和M3具有對稱性，區(qū)別只是在芯片不同位置所感應(yīng)的應(yīng)力不同，導(dǎo)致其溝道遷移率的變化不同。由于在3.2小節(jié)的仿真結(jié)果中已經(jīng)給出了M2、M3的溝道遷移率。所以在電路仿真階段可以將M3的電路部分去除，做圖3

45、-6所示的簡化。圖3-6簡化后的電路圖 本次采用的電路仿真軟件是T-spice。其基本仿真順序是先根據(jù)芯片加工廠商提供的MOS管參數(shù)文件編寫本次仿真所需要的MOS管的庫文件，其文件后綴名為“.md”，其文件部分內(nèi)容如圖3-7所示。 圖3-7MOS管部分參數(shù)接下來就是在編寫電路所需的程序 。程序所需的基本內(nèi)容包括MOS管庫文件的加載語句、器件節(jié)點(diǎn)的定義、輸出類型和輸出節(jié)點(diǎn)的定義、最后需要加“.end”語句作為結(jié)束語句。本次電路圖SPICE程序如圖3-8所示。圖3-8電路圖 spice程序程序中的.print tran v(out)代表的是輸出的M2 out節(jié)點(diǎn)的電壓，也就是MOS管M2（圖3-5

46、）漏極端的電壓。由于無法直接改變溝道遷移率，根據(jù)公式(2-9)，只要得到遷移率的變化關(guān)系，我們可以通過改變MOS管的溝道寬長比來等效遷移率的變化。從3.2節(jié)的仿真中我們已經(jīng)得到了不同壓力下的溝道遷移率的數(shù)據(jù)。則漏極電流的公式可以轉(zhuǎn)化成 ID=-C0x(W)L(|VGS|-|Vtn|)22(3-2)即通過計(jì)算不同遷移率下W的值，就可以得到不同遷移率下的MOS管漏極電流的值。通過圖3-5中壓力和溝道遷移率的關(guān)系結(jié)合本次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，壓力和MOS管M2、M3漏端電壓的關(guān)系整理如圖3-6。圖3-6 壓力和漏端電壓的關(guān)系從圖3-6可以看出在不同壓力下M2、M3兩個(gè)MOS管的溝道遷移率變化方向不同，其漏端電

47、壓的變化方向也不同，且都是和壓力成線性變化。為了直觀分析壓力與電壓的關(guān)系，可以將兩個(gè)MOS管漏極端的電壓差作為最后輸出電壓。圖3-7 輸出電壓和壓力的關(guān)系輸出電壓的整理結(jié)果如圖3-7，從圖3-7計(jì)算出這個(gè)傳感器的靈敏度大約為185mV/Mpa。通過以上仿真可以看出本次設(shè)計(jì)的壓力傳感器的靈敏度主要受溝道遷移率的影響。而溝道遷移率的影響因素主要有應(yīng)力和壓阻系數(shù)。通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，如使傳感器變得更薄，可以改善傳感器的應(yīng)力分布。通過提高溝道區(qū)域載流子的摻雜濃度可以改善傳感器的壓阻系數(shù)。在制造工藝允許的情況下，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)，提高溝道區(qū)域的載流子濃度，傳感器的靈敏度將會得到很大的提高。3.4本章小結(jié)

48、本小節(jié)給出了傳感器的結(jié)構(gòu)和電路原理圖，并對壓力傳感器相關(guān)特性進(jìn)行了模擬仿真，仿真內(nèi)容包括壓力特性的仿真和電路特性的仿真。壓力特性的仿真主要是觀察傳感器的形變和應(yīng)力分布，觀察形變有助于了解傳感器的承受壓力能力，觀察應(yīng)力主要是為了計(jì)算出壓力對MOS管溝道遷移率的影響。最后對傳感器的電路特性進(jìn)行了仿真，給出了傳感器靈敏度的理論值。第四章 版圖設(shè)計(jì) 版圖設(shè)計(jì)是集成電路根據(jù)電路設(shè)計(jì)的結(jié)果將電路轉(zhuǎn)化成一系列幾何圖形的過程。版圖包括器件的尺寸，位置等所有的物理信息，版圖和實(shí)際制造出來的電路存在對應(yīng)關(guān)系，所以版圖的設(shè)計(jì)必須遵守工藝規(guī)則的制約。版圖設(shè)計(jì)的好壞也在很大程度上影響著電路的設(shè)計(jì)。本章節(jié)講討論一些關(guān)于版

49、圖設(shè)計(jì)的規(guī)則、流程等。本文設(shè)計(jì)的版圖遵循的是華潤上華0.5m CMOS工藝規(guī)則。本次版圖的設(shè)計(jì)采用的是Cadence EDA中的Virtuoso Layout Editor。4.1版圖設(shè)計(jì)流程 版圖設(shè)計(jì)的流程圖4-1:圖4-1 版圖設(shè)計(jì)流程圖版圖設(shè)計(jì)步驟文字描述如下26（1）首先根據(jù)電路原理結(jié)構(gòu)圖，確定版圖的整體布局，包括MOS管、焊盤、電阻等器件的位置。然后按照自頂向下，分層設(shè)計(jì)的原則，采用Virtuoso Layout Editor軟件，完成從底層的子電路到整個(gè)電路版圖的設(shè)計(jì)。（2）對版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則的檢查。對版圖進(jìn)行電學(xué)規(guī)則檢查（ERC）和版圖與電路圖的對照驗(yàn)證（LVS）。（3）提取寄生

50、參數(shù)。（4）后仿真。將寄生參數(shù)反饋到原始電路中，并再次進(jìn)行芯片的模擬仿真。（5）將檢查無誤的版圖轉(zhuǎn)換成GDCII格式的文件交給廠商流片。4.2版圖設(shè)計(jì)規(guī)則與技巧4.2.1版圖設(shè)計(jì)的基本元器件在0.5m CMOS工藝中，本次主要使用的圖層和功能如圖4-2所示：表4-1 主要使用圖層和功能本小節(jié)主要介紹本次版圖設(shè)計(jì)所用到的元器件，及其參數(shù)特性等。4.2.1.1 電阻 0.5m CMOS工藝提供了N+、P+、NWELL、P_Poly、NLDD、High Ploy2等電阻選擇。不同類型的電阻，在相同阻值的情況下，尺寸有很大的差別。本文選擇了High Ploy2電阻。圖4-2為0.5m CMOS工藝Hi

51、gh Ploy2的電阻版圖。在設(shè)計(jì)中常根據(jù)簡化公式=LW來估算電阻的長度L和寬度W。本文電路采用的阻值為500，根據(jù)工藝文件的的要求其長寬比應(yīng)約為2。圖4-2 電阻版圖4.2.1.2 MOS管 0.5m提供了標(biāo)準(zhǔn)型N/PMOS、耗盡型N/PMOS、低閾值N/PMOS三種類型的MOS管，本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)型NMOS ，下圖為MOS管的版圖。本文采用的是P襯底，GT形成MOS管的柵極；N+注入和Active共同形成NMOS管的N型有源區(qū)，柵極兩側(cè)的有源區(qū)分別構(gòu)成MOS管的源極和漏極。源極和漏極通過接觸孔與第一層金屬相連，以實(shí)現(xiàn)互連。圖4-3 NMOS管版圖4.2.2版圖設(shè)計(jì)規(guī)則 由于器件的物理特性和

52、工藝的限制，芯片上物理層的尺寸對版圖的設(shè)計(jì)有著特定的規(guī)則，這是根據(jù)工廠使用的工藝和技術(shù)水平制定的27。必須根據(jù)廠家提供的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)，才能保證芯片的成品率。版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則一般包括：最小寬度規(guī)則、最小間距規(guī)則、最小交疊規(guī)則、最小延伸規(guī)則等。4.2.2.1 最小寬度規(guī)則 最小寬度規(guī)則是版圖設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵尺寸。它規(guī)定了版圖上的幾何圖形的寬度必須大于一個(gè)最小值。若在違反了此規(guī)則，則可能導(dǎo)致斷線，以至于無法保證制造出互連線。也可能導(dǎo)致局部出現(xiàn)一個(gè)大的電阻而致使工作時(shí)產(chǎn)生大的電流。圖4-4 最小寬度規(guī)則4.2.2.2 最小間距規(guī)則 最小間距規(guī)則規(guī)定了各個(gè)圖形之間的間隔。由于工藝技術(shù)的限制，常常達(dá)不

53、到跟版圖一樣的形狀，走線之間就會出現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的現(xiàn)象。最小間距規(guī)則通常是為了避免在兩個(gè)器件之間發(fā)生短接。圖4-5 最小間距規(guī)則4.2.2.3最小延伸規(guī)則最小延伸規(guī)則規(guī)定了一個(gè)圖形在其他圖型的邊緣外應(yīng)該還至少延長一個(gè)長度。最小延伸規(guī)則主要是防止在不同掩膜版間發(fā)生工藝漂移時(shí)引起電路誤差。圖4-6 最小延伸規(guī)則4.2.2.4最小交疊規(guī)則最小交疊規(guī)則規(guī)定了一個(gè)多邊形和另一個(gè)多邊形之間相互交疊的最小尺寸。通常是為了確保制造工藝的誤差不會影響正常的連接。圖4-7 最小交疊規(guī)則除了以上規(guī)則，版圖設(shè)計(jì)還需要遵循一些設(shè)計(jì)規(guī)則，如最小密度規(guī)則，最大金屬寬度等。具體規(guī)則需要參考工藝廠商提供的工藝文件。4.2.3 版圖

54、設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) 除了遵循版圖設(shè)計(jì)規(guī)則以外，還需要了解一些注意事項(xiàng)。以減小版圖設(shè)計(jì)對電路性能產(chǎn)生的影響。天線效應(yīng)是指在CMOS工藝中，會用到刻蝕或擴(kuò)散技術(shù)，刻蝕或者擴(kuò)散裝置會與晶體管柵極所連接的金屬線上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)感應(yīng)電荷積累到一定程度后會對柵極氧化層產(chǎn)生破壞作用。隨著柵尺寸變小，天線效應(yīng)對芯片的成品率影響也會越來越大?，F(xiàn)在微型電路版圖設(shè)計(jì)中，主要解決天線效應(yīng)的辦法有增大柵極的面積、跳線法、添加消除電荷的回路。在電路的版圖中，由于工藝上或者其他一些不可避免的因素的影響，會產(chǎn)生一些寄生元件，最常見的包括寄生電容和寄生電阻28。這些寄生參數(shù)對電路性能影響非常顯著，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量減少寄生參數(shù)的影響。電路仿真中，在電路的各個(gè)部分的連線電阻視為0，但是版圖設(shè)計(jì)中每條連線都有自己的