CMOS 工艺与器件
CMOS(互补金属-氧化物-半导体)技术是当今绝大多数集成电路的工艺基础。CMOS 在同一芯片上同时提供 NMOS 和 PMOS 晶体管,具有静态功耗极低的优点。对于模拟电路,CMOS 提供高输入阻抗的 MOS 管、高质量的开关和电容、以及与数字电路单片集成的能力。理解 CMOS 工艺的制造流程、器件特性、无源元件和闩锁效应,是现代模拟 IC 设计的基本素养。本文基于 Gray §2.8-§2.10 提炼。
前后关系
前置知识:
- IC制造基础工艺(§2.2)— 氧化、光刻、多晶硅、离子注入
- MOS晶体管模型与特性(§1.5-§1.6)— MOS 器件电特性
- 短沟道效应与弱反型(§1.7-§1.8)— 先进 CMOS 中的非理想效应
本书内部链条:
- CMOS工艺与器件(本文)→ BiCMOS技术、HBT与互连(§2.11-§2.14)— BiCMOS 融合 CMOS 和双极
- → 单管与多管放大器(Ch.3)— CMOS 放大器设计
- → 运算放大器设计基础(Ch.6)— CMOS 运放(两级/Telescopic/Folded-Cascode)
- → 全差分运算放大器(Ch.12)— 全差分 CMOS 运放设计
外部关联:
- Razavi Design of Analog CMOS ICs 深度解析 — Razavi 教材侧重 CMOS
- 运算放大器设计 — CMOS 运放设计
- SCΔΣ调制器的高层设计与开关电容积分器 — CMOS 开关电容电路
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — CMOS OTA 设计
原理介绍
2.8 CMOS IC 制造工艺
基本 CMOS 流程(以 N-well 工艺为例)
1. p⁻ 衬底
2. N-well 形成(离子注入 + 推进)
3. 有源区定义(LOCOS 或 STI)
4. 栅氧化层生长(~1-10 nm)
5. 多晶硅沉积与刻蚀(栅电极)
6. LDD 注入(轻掺杂漏)
7. 侧墙形成(spacer)
8. 源/漏重掺杂注入(n⁺, p⁺)
9. 硅化物形成(降低接触电阻)
10. 接触孔 + 金属互连
N-well 工艺的特点:
- PMOS 在 N-well 中,NMOS 在 p 衬底上
- 不需要衬底偏置产生器(p 衬底可直接接地)
- NMOS 和 PMOS 的载流子迁移率差异(μ_n ≈ 2μ_p)导致器件尺寸不对称
双阱(Twin-Well)工艺
- 同时在衬底上形成 N-well 和 P-well
- 两种器件均可独立优化
- 更好的抗闩锁能力
- 适用于先进 CMOS 工艺(< 0.25 μm)
2.9 CMOS 有源器件
2.9.1 NMOS 晶体管
结构剖面(Gray Fig. 2.11):
S G D
|n⁺| | |n⁺|
| | | |
p⁺ | 栅 | p⁺
────┴───────────┴────
p⁻ 衬底
关键参数:
- 栅氧厚度 :1-10 nm(先进工艺 < 2 nm)
- 阈值电压 :由栅氧厚度、沟道掺杂和栅材料功函数决定
- 沟道掺杂:通过沟道注入调整
- LDD:轻掺杂漏结构降低热载流子效应
多晶硅栅的作用:
- 作为自对准的注入掩模
- 可承受高温处理(相比金属栅)
- 可通过掺杂调节功函数
2.9.2 PMOS 晶体管
PMOS 在 N-well 中制造,与 NMOS 对称:
- 源/漏为 p⁺ 注入
- 沟道导电载流子为空穴(μ_p ≈ 200 cm²/V·s)
- 阈值电压为负值(增强型)
CMOS 反相器的互补工作原理:
- 输入为高 → NMOS 导通,PMOS 截止 → 输出低
- 输入为低 → PMOS 导通,NMOS 截止 → 输出高
- 静态时总有一个管子截止,功耗极低
2.9.3 耗尽型器件
通过沟道注入与阈值调整相反极性的杂质,制造 的 NMOS(或 的 PMOS)。
应用:
- 早期 NMOS 逻辑中的负载器件
- 模拟电路中用作电流源(恒流特性优于增强型)
局限性:需要额外的注入步骤,先进 CMOS 中较少使用。
2.9.4 CMOS 工艺中的双极晶体管
在标准 CMOS 工艺中可以寄生地形成双极晶体管:
- 纵向 pnp:p⁺ 源/漏(发射极)+ N-well(基区)+ p 衬底(集电极)
- 横向 npn:n⁺ 源/漏(发射极和集电极)+ p 衬底(基区)
应用:
- 带隙基准(利用寄生 pnp 的 V_BE 特性)
- ESD 保护结构
注意:寄生 BJT 同时也是闩锁效应的关键元件。
2.10 CMOS 无源元件
2.10.1 电阻
CMOS 工艺中可用的电阻类型:
| 类型 | 结构 | R_s | TC | VCR | 精度 |
|---|---|---|---|---|---|
| n⁺/p⁺ 扩散电阻 | 源/漏注入层 | 50-200 Ω/□ | ~1500 ppm/°C | 中等 | 好 |
| N-well 电阻 | N-well 层 | 1-10 kΩ/□ | ~4000 ppm/°C | 高 | 差 |
| 多晶硅电阻 | 未掺杂/掺杂多晶硅 | 5-500 Ω/□ | 可调 | 低 | 好 |
| 薄膜电阻 | SiCr/NiCr | 50-500 Ω/□ | < 100 ppm/°C | 很低 | 优秀 |
多晶硅电阻在 CMOS 模拟电路中特别常用:
- 可屏蔽在厚氧化层上,寄生电容小
- 可通过调整掺杂浓度获得不同薄层电阻
- 使用未掺杂多晶硅(高阻)节省面积
2.10.2 电容
MOS 电容:
栅氧厚度与单位面积电容:
| t_ox | C_ox | 工艺代 |
|---|---|---|
| 10 nm | 3.45 fF/μm² | 0.35 μm |
| 5 nm | 6.9 fF/μm² | 0.18 μm |
| 2 nm | 17.3 fF/μm² | 90 nm |
| 1 nm | 34.5 fF/μm² | 45 nm |
实现方式:
- MOS 电容(强反型):多晶硅栅 + 栅氧 + 沟道反型层 + 源漏接触 → 下极板
- 多晶硅-多晶硅电容:两层多晶硅之间的电容(需要双层多晶硅工艺)
- MIM 电容:两层金属之间的高 k 介质电容
电容匹配:
- 面积比例匹配(重要:用于开关电容电路的电容比例)
- 典型匹配精度:0.1-0.5%(相邻大电容)
- 使用共心布局、虚拟单元改善匹配
2.10.3 闩锁效应(Latchup)
闩锁是 CMOS 工艺中特有的寄生效应,由寄生的 pnpn(SCR)结构触发,一旦触发即使电源不退出也不会消失,通常导致器件损坏。
寄生结构:
VDD GND
| |
|p⁺ 源(PMOS) |n⁺ 源(NMOS)
| N-well | p 衬底
| p⁺ 接触 | n⁺ 接触
────┴───── ──┴───
N-well (R_well) p 衬底 (R_sub)
\ /
\ Q1 (纵向pnp) /
\ /
\ Q2 (横向npn)/
\ /
─────────────
触发条件:(寄生效应的正反馈)
触发源:
- 衬底电流(热载流子、雪崩击穿)
- 电源上电瞬态
- 输出端过压/欠压
- 辐射事件(α 粒子、中子)
预防措施:
| 措施 | 原理 | 效果 |
|---|---|---|
| 衬底/阱接触(guard ring) | 降低 R_sub / R_well | 有效 |
| 重掺杂衬底 | 降低 R_sub | 很有效 |
| 外延衬底 | 薄外延层 + 低阻衬底 | 很有效(常用) |
| STI 隔离 | 增加器件间距 | 中等 |
| SOI | 完全消除体硅 SCR | 最优但贵 |
设计规则检查:
- 保证 NMOS 到 PMOS 的间距足够大
- 保证足够多的衬底/阱接触孔
- 接触孔间距满足 I/O 和内部电路的闩锁规则
CMOS 与双极工艺对比
| 特性 | 双极 | CMOS |
|---|---|---|
| 器件速度 | 快(高 g_m) | 中(低 g_m) |
| 集成度 | 低 | 高 |
| 功耗(数字) | 高 | 极低(静态) |
| 输入阻抗 | 中等(r_π) | 极高(栅极) |
| 噪声(1/f) | 低 | 高 |
| 模拟性能 | 优秀 | 良好 |
| 工艺复杂度 | 较低 | 较高 |
| 所需掩模版 | ~10 | ~20-30 |
| 供电电压 | 通常更高 | 随工艺缩放 |
📘 Allen 3e 补充(Ch.2 纯 CMOS 工艺聚焦)
Allen Ch.2 与 Gray Ch.2 最大的区别在于 仅覆盖纯 CMOS 工艺(Gray 覆盖双极+CMOS+BiCMOS),提供了更聚焦的 CMOS 技术视角,包含 3e 新增内容:
深 N 阱隔离(DNW,§2.5 3e 新增):
- 在 P 衬底上增加深 N 阱层,将 NMOS 与衬底隔离
- 优势:减少衬底噪声耦合、允许 NMOS 源端接不同电位、抗闩锁能力提升
- 是混合信号 SoC 的关键技术
STI 与 Salicide 工艺(§2.1):
- STI(浅沟槽隔离):替代传统 LOCOS,在 0.35μm 以下工艺中用于有源区隔离
- Salicide:自对准硅化物工艺,降低多晶硅栅和 S/D 扩散区电阻
- Allen 给出了完整的双阱 CMOS 流程(氧化→光刻→阱注入→栅氧→多晶硅栅→LDD→侧墙→S/D 注入→Salicide→ILD→接触孔→金属化→钝化)
多栅氧(Multi-Gate Oxide)技术(§2.5):
- 同一芯片上提供两种栅氧厚度:核心逻辑使用薄栅氧(1.0V 工作电压)、I/O 使用厚栅氧(3.3V/5V 工作电压)
- 解决模拟 I/O 接口与数字核心的电压兼容问题
MOS 电容器三种工作模式(§2.3):
- 积累:,多数载流子在栅氧下积累
- 耗尽: 接近 ,耗尽层形成
- 反型:,沟道形成
- Allen 强调 MOS 电容的电压非线性对模拟设计的影响(与 Gray §2.8 互补)
来源对比:Gray §2.8-2.10 侧重 CMOS 工艺的双极兼容性和 BiCMOS 融合方案;Razavi Ch.2 侧重器件物理和 SPICE 模型;Allen Ch.2 聚焦于现代纯 CMOS 工艺的完整制造流程和混合信号设计关注点(隔离/闩锁/多电压域)。
参考文献
- P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., Wiley, 2009, §2.8-§2.10.
- R. J. Baker, CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, 3rd ed., Wiley, 2010.
- B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001, Ch.2.
- P. E. Allen, D. R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, 3rd ed., Oxford, 2012, Ch.2.
- Y. P. Tsividis, Operation and Modeling of the MOS Transistor, 2nd ed., Oxford, 1999.
- R. R. Troutman, Latchup in CMOS Technology, Kluwer, 1986.
双向链接
本文链接到
- IC制造基础工艺 — CMOS 依赖的基础工艺
- MOS晶体管模型与特性 — CMOS 器件的电特性
- 短沟道效应与弱反型 — 先进 CMOS 中的非理想效应
- MOSFET ESD设计 — Voldman 教材 Ch.3 MOSFET ESD 设计(沟道长度/宽度/接触间距/硅化物遮蔽/多指集成)
链接到本文
- BiCMOS技术、HBT与互连 — BiCMOS 融合技术
- 单管与多管放大器 — CMOS 放大器设计
- 运算放大器设计基础 — CMOS 运放
- 全差分运算放大器 — 全差分 CMOS 运放
- SCΔΣ调制器的高层设计与开关电容积分器 — CMOS 开关电容
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — CMOS OTA
- Gray 模拟集成电路分析与设计 深度解析 — 来源导航页
- Allen CMOS Analog Circuit Design 深度解析 — Ch.2 纯 CMOS 工艺视角
📘 Baker 3e 补充(Ch.2-5 版图实践导向的独特内容)
Baker 的 CMOS 工艺覆盖以版图实践为核心驱动,与 Gray/Razavi/Allen 的器件物理或电路分析导向形成本质区别。
1. 版图教学法(Ch.2-4)—— 从阱层开始逐层建造
Baker 前三章的教学路径与所有其他教材不同:从阱(Well)→ 金属(Metal)→ 有源区与多晶硅(Active & Poly),每层都配有截面图与版图一一对应(Gray §2.8 仅用半页讲阱)。
- 阱层版图(Ch.2):方块电阻计算、n-阱/p-阱的电阻温度特性、分布式 RC 线延时 。Baker 强调阱电阻对闩锁效应的影响。
- 多层金属互联(Ch.3):键合焊盘设计(焊盘电容 金属-衬底间)、串扰与地弹 (互容/互感耦合)、电源/地互联的 AC/DC IR drop 问题——这是实际芯片设计的关键问题,但 Gray/Razavi/Allen 几乎不涉及。
- ESD 保护(Ch.4):输入/输出焊盘的二极管 ESD 结构、保护环设计。Gray 仅在 §2.9 简略提及,Baker 给出完整版图。
- 设计规则详解(Ch.4):从制造原理(光刻分辨率/刻蚀选择比/对准容差)解释最小间距、最小宽度、包围规则的物理意义,远超其他教材的规则列表式描述。
2. 匹配技术四位一体(Ch.5)—— Baker 的独特亮点
| 匹配技术 | Baker | Gray | Razavi | Allen |
|---|---|---|---|---|
| 单位单元法(Unit Cell) | √ 完整版图 | 简略 | 简略 | 部分 |
| 叉指(Interdigitation) | √ 版图实例 | §4.2 提及 | 无 | §4.3 提及 |
| 共质心(Common-Centroid) | √ 含梯度误差分析 | 部分 | 部分 | √ |
| 虚拟管(Dummy) | √ 刻蚀效应补偿 | 无 | 无 | 无 |
Baker 将四种匹配技术组合使用,配以完整的 GDS 级版图实例——这是其他教材不具备的实用性。
3. 电阻/电容的完整工艺模型(Ch.5)
- 电阻版图:温度系数 TCR1/TCR2、电压系数 VCR、方块电阻设计表(多晶硅/扩散/N-well 三种类型)
- 电容版图:Poly-Poly 电容、MIM 电容、寄生电容的建模,温度/电压系数
- MOSFET 版图细节:横向扩散、氧化层侵蚀(鸟嘴效应)、源/漏耗尽电容、源/漏寄生电阻、长沟道/宽沟道 MOSFET 的叉指版图技巧
Baker 的工艺覆盖 vs 其他教材:Baker 的 CMOS 工艺内容与其说”工艺教材”不如说是”版图实践指南”。Gray §2.8-2.10 侧重 CMOS 工艺参数化模型以支持电路设计;Razavi Ch.18(第 2 版新增)补充工艺角分析;Allen Ch.2 提供最接近 Baker 的纯 CMOS 工艺描述但缺少版图层级教学。对于希望理解版图对电路性能影响的设计者,Baker Ch.2-5 是首选的实践参考。
关联页:Baker CMOS 电路设计版图与仿真 深度解析 §2-5
📚 Sze 补充(Ch.1 半导体晶体结构与工艺相关性)
Sze Ch.1 §1.2 提供了比 Gray/Allen 更深入的半导体晶体结构物理基础,与 CMOS 工艺直接相关。
晶格结构与 Miller 指数(§1.2.1):
- 金刚石结构(Si, Ge):每个晶胞 8 个原子,配位数 4,原子间距
- 闪锌矿结构(GaAs, InP 等 III-V 族):与金刚石类似但两种原子交替
- 密勒指数 (hkl) 确定晶面方向,(100)、(110)、(111) 是 CMOS 工艺中最常用的晶向
晶向对 CMOS 工艺的影响:
| 晶向 | 原子面密度 | 氧化速率 | 界面态密度 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| (100) | 最低 | 最低 (~) | MOSFET 沟道面 | |
| (110) | 中等 | 中等 | 双极工艺 | |
| (111) | 最高 | 最高 (~) | 不用于 MOS |
这解释了为什么所有现代 MOSFET 都使用 (100) 晶向衬底——不仅因为最低的界面态密度,还因为最慢的氧化速率有利于薄栅氧控制。
倒格子与 Brillouin 区(§1.2.2):
- 倒格子基矢 定义:
- 第一 Brillouin 区是 Wigner-Seitz 原胞,能带结构 在此区域内定义
- Si 的导带最小值在 [100] 方向(六重简并),GaAs 在 点(直接带隙)
晶格匹配与外延生长(§1.2.5):
- 晶格失配 决定外延层质量
- SiGe 外延:Ge 含量 控制晶格常数,
- 临界厚度 :失配位错开始形成的外延层厚度,( 为失配度)
- SiGe HBT 利用晶格失配引入的压应变调节能带结构,提高
来源对比:Gray §2.8 仅用数页介绍晶体结构;Allen 几乎不涉及;Sze Ch.1 提供了完整的晶体学基础(Miller 指数、倒格子、Brillouin 区)及其与器件物理的直接联系。
关联页:半导体晶体结构与晶格、半导体异质结与纳米结构、Sze Physics of Semiconductor Devices 深度解析 Ch.1