基于CMOS工艺的集成电路实验教学探索

陈 宏，郭 清，刘 立，杨 树

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引言

在电子信息化时代，半导体芯片无处不在，在社会发展的方方面面发挥不可或缺的重大作用，集成电路已经广泛应用、并直接影响日常生活、生产制造、和军工国防，半导体集成电路已经成为社会发展的重要生产力之一，为此需要大力发展半导体集成电路工业，大力培育半导体集成电路技术人才。优秀的集成电路设计工程师不仅需要掌握丰富的理论知识，而且还应具有大量实验实践经验[1]。高校实验室是培养创新和实践能力重要基地，开展实践与创新相结合的实验教学，才能更多、更有效地培养满足社会急需的微电子技术人才[2]。集成电路是一种技术更新周期非常短的行业，教学中传统课程内容不符合实际工作需要，过多地偏重于数字系统和模拟电路设计理论[3]，内容简单，缺乏综合性[4]，如何能够将集成电路工艺和半导体器件的集成电路版图设计结合起来，提高实验教学质量，是集成电路实验教学面临的挑战。本文提出基于CMOS工艺的集成电路实验教学探索，以学生为主，在学习CMOS工艺的基础上设计工艺版图，检测工艺错误，实现电路功能。实践证明，这种基于CMOS工艺的集成电路实验教学，对于培养学生创新能力，深入理解工艺流程与集成电路原理之间的联系，具有很好的指导作用，取得良好的教学效果。

1 CMOS工艺

目前，半导体集成电路加工工艺主要包括：电极、沉积、介电层、外延生长、刻蚀、掺杂、欧姆接触、封装、退火等，其中沉积方法主要是化学气相沉积，外延生长都采用化学气相沉积方法。刻蚀工艺主要有光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀、离子束刻蚀等，欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行离子注入[5]。集成电路加工设备非常昂贵，设计集成电路，必须熟悉每一个工艺步骤的具体工作，才能让设计的集成电路在加工完成后实现预期的功能。

CMOS工艺流程从选择衬底开始，清洗衬底材料，外延生长，热氧化长出二氧化硅薄膜，沉积氮化硅，刻蚀填充氧化硅，注入N阱，热退火，栅氧化层沉积多晶硅，注入离子，气相沉积抛光硼磷硅，光刻接触孔，沉积金属，沉积通孔，再次沉积金属，介质沉淀提供对外接触电极。如图1所示。

图1 CMOS工艺流程

在图1中，显示的是CMOS工艺的实现步骤，也是实验教学中绘制版图需要考虑的工艺环节，需要绘制N阱图层、有源区图层、多晶栅图层、注入的离子图层、接触孔图层、金属图层，才能实现半导体集成电路的功能。

2 基于CMOS工艺的集成电路实验教学步骤

在实验教学中，需要完成反相器版图设计，学习CMOS工艺流程、了解CMOS工艺、理解版图设计中需要考虑的工艺要求，半导体集成电路是按照CMOS工艺步骤、按照顺序实现工艺制造，绘制反相器版图也是按照CMOS工艺步骤、按照层次绘制，不是通常画电路图的导线连接。

2.1 分析反相器的原理

在集成电路版图设计部分需要设计反相器，反相器的原理如图2所示。CMOS 反相器由NMOS 和PMOS共同组成，MOS管的开启电压是VGS，对于PMOS管而言，要求VGS0，而对于NMOS 而言，要求VGS>0。若IN端的输入电压为低电平(如0V)，则PMOS 导通，NMOS截止，输出电压接近VDD；若IN端的输入电压为高电平(如VDD)，则NMOS 导通，PMOS 截止，输出电压接近0V。因此，当IN端的输入电压为低电平时，电路输出为高电平；当IN端的输入电压为高电平时，输出为低电平，电路实现了反相器的功能。

图2 反相器的原理

通过反相器的原理分析得知，在绘制版图时，需要按照CMOS的工艺流程，绘制PMOS和NMOS，才能实现反相器的电气功能。

2.2 绘制版图

按照CMOS工艺的实现步骤，也是实验教学中绘制版图需要考虑的工艺环节，需要绘制N阱图层、有源区图层、多晶栅图层、注入的离子图层、接触孔图层、金属图层。

在绘制版图时，需要考虑CMOS工艺的步骤，还有考虑在CMOS工艺过程中需要实现的电气性能，在图层的电气设计中需要符合相应的设计规则。在L-edit软件中有具体的设计规则文件，如图3所示。

图3 建立设计规则文件

在图3中，实验教学中采用的设计文件名是“Generic 0.25um Technology”，在设计中必须满足这个文件中规定的工艺要求，例如，N Well表示N阱，根据设计规则要求N阱的宽度是1.45 μm，避免电气上的短路或断路影响集成电路的电气功能。由于CMOS工艺的特殊性，生产设备昂贵，维护成本高，加工周期长，如果因为版图设计错误而造成集成电路的功能失效，就会造成时间和金钱的极大浪费。因此，必须按照设计规则文件检查设计的版图。

2.3 设计完成

在版图绘制的过程中，结合CMOS的工艺流程和反相器的工作原理，完成的版图设计经过设计规则检查，如果设计规则检查显示“No error”，就说明设计符合CMOS工艺制程的要求，能够实现反相器的电气功能。如图4所示。

图4 反相器的CMOS版图

图4显示了反相器的版图和设计规则检查的结果，上方是绘制的反相器版图，下方是设计规则检查的结果，显示“No error to display”，说明设计符合CMOS的工艺技术要求。

3 结语

发挥高校服务社会经济发展的功能，服务地方社会经济发展，已成为普通高等院校的大学生教育的基本出发点，培养具有创新精神的应用型人才是现阶段各普通高等院校对本科生的基本目标[6]。目前，全球集成电路产业向中国转移[7]，集成电路的飞速发展对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响[8]。实验教学是整个高等教育创新体系中创新人才培养过程不可缺少的重要组成部分，实验教学对学生综合素质的提高，对学生实践能力、科研能力和创新能力的培养起着非常重要的作用[9]。高校服务社会经济发展，就需要培养具有创新精神的集成电路应用型人才。本文在CMOS工艺制造的基础上设计实验教学内容，要求学生基于CMOS工艺完成反相器的版图绘制，使学生深入探索CMOS工艺和集成电路原理之间的关系，理论知识联系实际开展实验教学，加深学生对集成电路的设计和制造的理解，为培养学生在集成电路的实践和科研工作能力奠定良好的基础，取得良好的教学效果。这对于激发学生的创新能力和专业兴趣，使学生真正成为具备科研和工程技能的集成电路技术人才，具有重要的实践意义。