模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2015年7月28日目錄 前言 集成電路工藝基礎(chǔ) 一、什么是版圖？ 二、版圖的意義 三、版圖與線路圖、工藝的關(guān)系 四、版圖設(shè)計(jì)的過(guò)程 五、版圖的組成 六、版圖的層次 七、如何繪制版圖 八、版圖驗(yàn)證與檢查 九、版圖的藝術(shù)集成電路工藝基礎(chǔ)P - SiSi3N4P - SiSi3N4P - Si光刻膠Si3N4紫外線照射掩膜版掩膜版圖形P - SiSi O2P - Si（1）對(duì)P型硅片進(jìn)行氧化， 生成較薄的一層Si3N4， 然后進(jìn)行光刻， 刻出有源區(qū)后進(jìn)行場(chǎng)氧化。 集成電路工藝基礎(chǔ)離子注入SiO2P-SiN(d )P-Si多晶硅0.5 2 m(c)P-Si(b)（2） 進(jìn)行氧

2、化（柵氧化）， 在暴露的硅表面生成一層嚴(yán)格控制的薄SiO2層。 （3） 淀積多晶硅， 刻蝕多晶硅以形成柵極及互連線圖形。（4） 將磷或砷離子注入， 多晶硅成為離子注入的掩膜（自對(duì)準(zhǔn)）， 形成了MOS管的源區(qū)和漏區(qū)； 同時(shí)多晶硅也被摻雜， 減小了多晶硅的電阻率。 集成電路工藝基礎(chǔ)(e)P-SiNSiO2淀積 SiO2P-SiN鋁 電 極 引 出SiO2(場(chǎng)氧)( f )（5） 淀積SiO2， 將整個(gè)結(jié)構(gòu)用SiO2覆蓋起來(lái)， 刻出與源區(qū)和漏區(qū)相連的接觸孔。 （6） 把鋁或其它金屬蒸上去， 刻出電極及互連線以上每道工序都是需要掩膜版的，那掩膜版的大小怎么定呢？如何精確呢？這就需要我們繪制版圖，生產(chǎn)商

3、拿到版圖生成的cdl文件就明確了！一、什么是版圖？版圖是一組相互套合的圖形，各層版圖相應(yīng)于不同的工藝步驟，每一層版圖用不同的圖案來(lái)表示，版圖與所采用的制備工藝緊密相關(guān)。版圖設(shè)計(jì)：根據(jù)邏輯與電路功能和性能要求以及工藝水平要求來(lái)設(shè)計(jì)光刻用的掩膜版圖，是集成電路設(shè)計(jì)的最終輸出。二、版圖的意義1）集成電路掩膜版圖設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)集成電路制造所必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它不僅關(guān)系到集成電路的功能是否正確，而且也會(huì)極大程度地影響集成電路的性能、成本與功耗。2）它需要設(shè)計(jì)者具有電路系統(tǒng)原理與工藝制造方面的基本知識(shí)，設(shè)計(jì)出一套符合設(shè)計(jì)規(guī)則的“正確”版圖也許并不困難，但是設(shè)計(jì)出最大程度體現(xiàn)高性能、低功耗、低成本、能實(shí)際可靠

4、工作的芯片版圖缺不是一朝一夕能學(xué)會(huì)的本事。三、版圖與線路圖、工藝的關(guān)系 1、邏輯圖（線路圖）-版圖-工藝（流片，形成實(shí)物產(chǎn)品） 2、版圖決定于線路圖，版圖必須和線路圖完全一一對(duì)應(yīng)， 根據(jù)版圖提出的線路圖，必須完全實(shí)現(xiàn)需求的邏輯功能 3、版圖受工藝的限制，要么按照特征尺寸畫(huà)版圖， 要么對(duì)應(yīng)具體工藝的特征長(zhǎng)度，給出每一種情況的具體數(shù)值 4、版圖的兩大任務(wù)： 完全實(shí)現(xiàn)需求的邏輯功能，和邏輯圖一樣，LVS 完全符合實(shí)際的物理及工藝要求，DRC，自鎖等實(shí)際情況四、版圖設(shè)計(jì)的過(guò)程 整個(gè)版圖設(shè)計(jì)可分為四步：劃分、布圖規(guī)劃和布局、布線、壓縮。1.劃分：由于一個(gè)芯片包含上千萬(wàn)個(gè)晶體管，在畫(huà)版圖的時(shí)候不可能所有的

5、一起畫(huà)，加之受計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力的限制，需要把整個(gè)電路劃分為若干個(gè)模塊，把處理問(wèn)題的規(guī)?？s小。通常我們所涉及到的 劃分時(shí)需考慮的因素：模塊的大小，模塊的數(shù)目、模塊之間的連線數(shù)。四、版圖設(shè)計(jì)的過(guò)程2.布圖規(guī)劃和布局：布圖規(guī)劃是根據(jù)模塊所包含的器件數(shù)估計(jì)其面積，再根據(jù)該模塊與其他模塊的連接關(guān)系以及上一層模塊或芯片的形狀估計(jì)該模塊的形狀和相對(duì)位置。3.布局的任務(wù)是確定模塊在芯片上的精確位置，其目標(biāo)是保證在布通的前提下使芯片面積盡可能小。4.布線：百分之百的完成模塊之間的互連，在完成布線的前提下進(jìn)一步優(yōu)化布線結(jié)果，如：提高電性能、減少通孔數(shù)。版圖其實(shí)就是另一種形式的電路圖，作為電路圖最基本的有兩

6、大組成部分1.器件(常見(jiàn))1 MOS管2 電阻3 電容2.互連2.2.1金屬（第一層金屬，第二層金屬）2.2.2通孔五、版圖的組成MOS管剖面圖五、版圖的組成1.1MOS管 1) NMOS管 以TSMC，CMOS，N單阱工藝為例 NMOS管，做在P襯底上，溝道為P型，源漏為N型2) 包括層次： NIMP，N+注入 DIFF，有源區(qū) Poly，柵 M1，金屬 CONT，過(guò)孔 3) MOS管的寬長(zhǎng)確定五、版圖的組成1.1MOS管1) PMOS管 以TSMC，CMOS，N單阱工藝為例 PMOS管，做在N阱中，溝道為N型，源漏為P型 2) 包括層次： NWELL，N阱 PIMP，P+注入 DIFF，有

7、源區(qū) Poly，柵 M1，金屬 CONT，過(guò)孔 3) MOS管的寬長(zhǎng)確定五、版圖的組成1.1MOS管反向器五、版圖的組成1.1MOS管電阻版圖五、版圖的組成1.2電阻選擇合適的類型，由電阻阻值、方塊電阻值，確定 W、L；R=L/W*R01) 電容值計(jì)算C=L*W*C02) 電容分類： poly電容 MIM電容 基于單位面積電容值 MOS電容 源漏接地，基于柵電容，C=W*L*CoxMIM電容版圖MOS電容版圖五、版圖的組成1.3電容2.1金屬（第一層金屬，第二層金屬） 1) 金屬連線 M1，M2，M3，M42.2 通孔 2)過(guò)孔 Via1，Via2，Via3五、版圖的組成2互連 1) 典型工藝

8、CMOS N阱 1P4M工藝剖面圖連線與孔之間的連接五、版圖的組成六、版圖的層次六、版圖的層次VDDDVDDDYN阱Nwell 多晶硅PolyN擴(kuò)散N+通孔Contact金屬線MetalP擴(kuò)散P+ 注意 在電路圖和版圖中，PMOS晶體管都與VDD相連接； 在電路圖和版圖中，NMOS晶體管都與VSS相連接； 在電路圖和版圖中，NMOS晶體管和PMOS晶體管的柵極有相同的IN信號(hào)，而其漏極有相同的OUT信號(hào)； 兩種晶體管的寬度不同在之前的例子中，PMOS晶體管的寬度是NMOS晶體管的3倍。 兩種晶體管的長(zhǎng)度看似相同，但卻不同，我們很難辨別它們的差異； 對(duì)于N阱來(lái)說(shuō)，N區(qū)域?qū)嶋H上是與VDD相連接的，

9、而電路圖中沒(méi)有顯示這一連接關(guān)系； 對(duì)于襯底來(lái)說(shuō)，P區(qū)域?qū)嶋H上是與VSS相連接的。而電路圖中沒(méi)有顯示這一連接關(guān)系。七、如何繪制版圖1.需要的軟件工具2.需要做的準(zhǔn)備七、如何繪制版圖2.需要做的準(zhǔn)備七、如何繪制版圖3.打開(kāi)軟件七、如何繪制版圖3.打開(kāi)軟件七、如何繪制版圖3.打開(kāi)軟件七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖4.相關(guān)設(shè)置七、如何繪制版圖5.從原理圖將器件導(dǎo)入版圖 待前面基本設(shè)置完成之后便可從原理圖將器件導(dǎo)入版圖中 導(dǎo)入后版圖中的器件排布位置和原理圖中一致 有三種方法可以完

10、成導(dǎo)入七、如何繪制版圖6.連接器件（常用快捷鍵）七、如何繪制版圖6.連接器件（常用快捷鍵）七、如何繪制版圖7.實(shí)際操作七、如何繪制版圖八、版圖驗(yàn)證與檢查 DRC：幾何設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 ERC：電學(xué)規(guī)則檢查 LVS：網(wǎng)表一致性檢查 POSTSIM：后仿真，產(chǎn)生測(cè)試向量。提取實(shí)際版圖的參數(shù)、電阻、電容，生成帶寄生量的器件級(jí)網(wǎng)表，進(jìn)行開(kāi)關(guān)級(jí)邏輯模擬或電路模擬，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)出電路的功能和時(shí)序性能等。1. 模擬版圖和數(shù)字版圖的首要目標(biāo)2. 首先考慮的三個(gè)問(wèn)題3. 匹配3.1 匹配中心思想3.2 匹配問(wèn)題3.3 如何匹配3.4 MOS管3.5 電阻3.6 電容3.7 匹配規(guī)則4. 寄生效應(yīng)4.1 寄生的產(chǎn)生4.2 寄生電容4.3 寄生電阻4.4 天線效應(yīng)4.5 閂鎖效應(yīng)5. 噪聲6. 布局規(guī)劃7. ESD8. 封裝九、版圖的藝術(shù)九、版圖的藝術(shù)1. 模擬電路和數(shù)字電路的首要目標(biāo) 模擬電路關(guān)注的是功能1) 電路性能、匹配、速度等2) 沒(méi)有EDA軟件能全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以需要手工處理數(shù)字電路關(guān)注的是面積1) 什么都是最小化2) Astr