芯片提取基礎(chǔ)知識

芯片提取基礎(chǔ)知識Verison：1.0北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司BEIJINGCELLIXSOFTWARECO.,LTD.第1頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20102概述第一章：芯片基礎(chǔ)知識第二章：基本模擬單元第三章：基本數(shù)字單元第2頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20103第一章芯片基礎(chǔ)知識第3頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20104各種封裝形式的芯片市面上所見的芯片都是封裝后的芯片，下面為一些常見的封裝形式的芯片：第4頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20105裸片芯片去掉封裝后，里面是非常小的一塊硅片，芯片的功能就是通過這塊硅片來實現(xiàn)，我們稱這塊硅片為裸片。通常，我們說芯片，實際上就是指裸片。下面為一顆MP3芯片去封裝的過程：一顆完整的芯片周圍的白點為芯片管腳開蓋看到電路了周圍的金屬絲是用來連接裸片和芯片的引腳第5頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20106X光照片為了看到封裝上的引腳和裸片的連接關(guān)系，除了進(jìn)行開蓋，還可以使用X射線進(jìn)行拍照，下面是幾張X-ray照片。連里面的電路都依稀可見大黑點是封裝上的引腳小黑點是芯片上的引腳第6頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20107芯片結(jié)構(gòu)（1）芯片內(nèi)部的METAL1層照片PAD（壓焊點）內(nèi)部電路第7頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20108芯片結(jié)構(gòu)（2）從圖中可以看出，PAD分布在芯片的外圍，中間是電路，內(nèi)部電路是分模塊的。第8頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-20109芯片的照片可見光的照片是彩色的，SEM的照片是黑白的。注意下圖的兩張照片，拍攝的是同一個區(qū)域：VS.第9頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201010芯片的層芯片實際上是立體結(jié)構(gòu)，分為多層，每一層都和上下層相連。不同的芯片，層數(shù)不一樣。POLYM3M2M1第10頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201011第二章基本模擬器件第11頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201012數(shù)字和模擬元件芯片上的元件類型很多，我們通常將其分成兩大類，數(shù)字單元和模擬器件。數(shù)字單元比較密集，規(guī)整模擬單元比較稀疏，形狀各異數(shù)字單元模擬器件第12頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201013模擬器件符號圖常見的模擬器件RESCAPPMOSNMOSDIODEBJT第13頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201014常見模擬器件1電阻1.1POLY電阻1.2注入電阻1.3阱電阻1.4FUSE2電容2.1MOSCAP2.2POLYCAP2.3FCAP2.4METALCAP3MOS管3.1三端MOS管3.2四端MOS管4二極管5三極管VPNP三極管第14頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010151.1POLY電阻利用多晶制作電阻：是一條細(xì)長的多晶條，很好分辨；兩個端口PLUS，MINUS順序可以顛倒；兩個端口之間的距離為長度，多晶條寬度為寬度；在雙多晶工藝中，由于POLY2電阻率遠(yuǎn)高于POLY1，一般使用POLY2制作電阻，所以提圖時一般只標(biāo)注RPOLY即可。在單多晶工藝中，POLY電阻和管子?xùn)诺闹谱饕彩遣灰粯拥?，?jīng)常會有顏色的區(qū)分。第15頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201016POLY電阻識別（1）各個特點的圖例見下頁。在染色前會將多晶去掉，所以，RPOLY在染色層是沒有痕跡的。在有些芯片中，POLY電阻的顏色和管子?xùn)哦说念伾灰粯?。多晶電阻的電阻值比較精確，可以用來計算電流電壓值，所以，陣列型的電阻通常是多晶電阻。觀察電阻兩頭的孔，可以用來識別RPOLY。第16頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201017POLY電阻識別（2）多晶層染色層染色無痕柵多晶多晶電阻多晶電阻陣列第17頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201018*電鏡下的RPOLY中間的電阻是沒有痕跡的，這是給阱電位的注入第18頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010191.2注入電阻對襯底或者阱進(jìn)行一細(xì)長條形的高摻雜注入P襯底N阱RPPLUSRNPLUS第19頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201020注入電阻識別和多晶電阻不同，注入電阻在多晶層和染色層都會留有痕跡。多晶層染色層第20頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201021注入電阻原理注入電阻實際上利用了PN結(jié)的反偏。注入電阻和其周圍的材料的接觸面實際上是一個PN結(jié)，只要該P(yáng)N結(jié)反偏，電阻就能正常工作。所以，N阱里面的注入電阻為RPPLUS，P襯底上的注入電阻為RNPLUS。第21頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010221.3阱電阻RNWELL，在P襯底上用一條細(xì)長的N阱作電阻P襯底RNWELLN阱第22頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201023阱電阻識別和多晶電阻相反，阱電阻在多晶層看不到，但在染色層有痕跡。阱電阻有時會顯得有點‘肥胖’，這是因為生產(chǎn)的時候，阱電阻向兩邊擴(kuò)散造成的。P阱工藝是RPWELL，N阱工藝是RNWELL多晶層染色層第23頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201024

電阻尺寸量取（1）電阻的尺寸參數(shù)包括w和l，w為電阻體的寬度，l為接觸孔之間的距離：緊貼接觸孔內(nèi)側(cè)緊貼拐角內(nèi)側(cè)第24頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201025*電阻尺寸量?。?）多晶電阻實際上和柵極多晶硅材料不同，電阻的長度量法也不同。左圖的電阻上，可以看到明顯的分界右圖為Layout，藍(lán)色所示為阻擋層，正是該層導(dǎo)致了多晶材料的不同緊貼分界處第25頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010261.4FUSE嚴(yán)格來說，F(xiàn)USE（熔絲）也是一種電阻，該電阻有兩種值，0或無窮。在芯片生產(chǎn)的時候，所有的熔絲都是接通的，生產(chǎn)完后，芯片在調(diào)試的時候，對熔絲進(jìn)行編程，燒斷一些，從而改變芯片的內(nèi)部電路。符號圖：PLUSMINUS第26頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201027POLYFUSE使用多晶作為熔絲，兩頭粗，中間狹窄，呈沙漏狀，如果需要熔斷，在熔絲上加一個很高的電流，中間部分由于過熱而氣化，從而斷開。如果不熔斷，熔絲相當(dāng)于一段導(dǎo)線。熔斷熔斷第27頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201028METALFUSE使用金屬作為熔絲，在芯片測試器件，如果需要熔斷，使用激光將其切斷。這種熔絲通常不明顯，因為其本身就是金屬線，通?？梢酝ㄟ^燒焦的痕跡來找到。熔絲熔斷第28頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201029*熔絲窗口因為熔絲熔斷時，會氣化產(chǎn)生大量氣體，所以熔絲上必須開口，讓氣體逸出，POLYFUSE和METALFUSE都需要開窗。窗口通常是不可見的，因為在拍上層金屬時，鈍化層就被去掉了，窗口自然就消失了。METALFUSE窗口POLYFUSE窗口第29頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010302電容符號圖：PLUSMINUS常見電容種類：MOSCAPPOLYCAPDPMOSCAPFCAPMETALCAP第30頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201031電容的形成機(jī)制構(gòu)成一個電容的條件：兩塊電極板，中間填充絕緣介質(zhì)在CMOS工藝中，一切可以導(dǎo)電的材料都可以作為電極，SiO2作介質(zhì)決定電容大小的一個重要參數(shù)為兩塊極板的重疊面積；需要測量的參數(shù)為重疊面積的長和寬。第31頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010322.1POLYCAPPOLYCAP：使用POLY1和POLY2作為兩極，PLUS和MINUS可以互反；雖然PLUS和MINUS可以互反，但提取時應(yīng)該保證全芯片的一致性。示意圖：POLY1POLY2第32頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201033電鏡下的POLYCAP光從多晶無法識別，但是可以根據(jù)染色來分辨，染色層沒有任何痕跡。第33頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010342.2MOSCAP由于工藝原因，用MOS管做電容非常常見；把MOS管的源，漏，襯底連在一起構(gòu)成一極，柵作為一極，可構(gòu)成一個MOSCAP。示意圖：第34頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201035MOSCAP的識別有一種MOSCAP就是一個管子，非常好辨認(rèn)，提取時可以框成管子，也可以框成電容，但框成電容時要注意極性不能顛倒。N管MOSCAP，PLUS在柵，MINUS在源漏。P管MOSCAP，MINUS在柵，PLUS在源漏。還有一種MOSCAP，不是一個管子，它的所有的DIFF是連在一起的，這種MOSCAP實質(zhì)上是管子的變形。多晶層染色層第35頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201036增大MOSCAP的電容MOSCAP是所有電容中單位容值最大的一種，但是精度很差，很多芯片中，使用MOSCAP后還希望能增加MOSCAP的電容，這時可以考慮采用電容折疊技術(shù)。雙多晶工藝正好可以做出這種電容第36頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201037雙層POLY的MOSCAP在雙多晶芯片中，可以使用MOSCAP和POLYCAP的結(jié)合來增大單位面積的電容值，通常稱為DPMOSCAP。最下極板（DIFF）和最上極板（POLY2）是通過金屬（M1）連在一起的通過染色的痕跡可以找出DIFF，從極板的重疊方式可以區(qū)分兩層POLYPOLY2POLY1DIFF多晶層染色層第37頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201038電鏡下的DPMOSCAP主要通過金屬的連接來判斷MOSCAP的兩極：多晶層M1層連在一起第38頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201039*MOSCAP（1）由上圖可見，MOSCAP實際上是POLY作為一極，溝道，DIFF，襯底作為另一極，類似，NMOS也可以同樣構(gòu)成電容。P+P+N+GDSB第39頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201040*MOSCAP（2）由上頁可知，要能形成溝道，MOS管必須一直導(dǎo)通；MOSCAP可以制作很大的電容，但線性度很差，電容隨|VGS|的變大而大。MOS管溝道是有電阻的，所以為了減小大MOSCAP的溝道電阻，將一個大的MOS管用很多小的并聯(lián)管代替：第40頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201041金屬電容隨著工藝間距越來越小，金屬間的間距也越來越小，原來不被看好的金屬電容漸漸的被重視起來，很多芯片都使用了金屬電容。金屬電容分為兩種。垂直板金屬電容，常稱為FCAP（插指電容）水平板金屬電容，常稱為METALCAPFCAPMETALCAP第41頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010422.3FCAP下圖為兩根金屬走線，可以看到金屬的高度實際比寬度要大，如果兩根金屬離得足夠近的話，這個電容的容值是相當(dāng)可觀的。所以，只有在0.35極其以下的工藝中，才能看到這種電容，0.18的芯片中，這種電容是比較常見的。第42頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201043FCAP的極板間距下圖示出了隨著工藝的發(fā)展，金屬間距的變化：0.5u0.35u0.18u第43頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010442.4METALCAP結(jié)構(gòu)METALCAP是利用上層金屬，比如M3的上面再增加一層材料，插入一塊板，形成電容，這層材料既不是M3，也不是M4。這層材料和M4打孔連在一起，所以電容的兩極分別由M3，M4引出：上極板下極板第44頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201045METALCAP照片注意圖中白點即為孔：M3插入的電容板M3照片M4照片兩極第45頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201046電鏡下的METALCAP從下圖可以看出，M4只是連接該電容的導(dǎo)線，并不是電容的一部分。圖中白點即為孔：插入的電容板M3照片M4照片第46頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201047METALCAP的特點METALCAP有兩大好處：下方還可以做器件，充分利用芯片面積離地比較遠(yuǎn)，寄生電容小，精度高因為METALCAP并不是放在底座上，所以在框模擬器件時，如果有METALCAP，一定要在上層多次檢查，防止遺漏。METALCAP插入材料的電阻值較大，上面的接觸孔很多，但是比較稀疏，很均勻。第47頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010483MOS管P+P+N+GDSBPMOS管結(jié)構(gòu)圖發(fā)亮的為NWELLNMOS管PMOS管下圖為反向器的芯片圖像，左邊為POLY層圖像，右邊為染色層圖像第48頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010493.1三端MOS管PMOS符號圖：在模擬的世界里，MOS管不能等效為一個開關(guān)看待，它的版圖，作用較數(shù)字應(yīng)用里都有很大的不同；提取三端MOS管時，需要明確指出它的S，D，G端口和襯底電位，尤其是源端和漏端不能點反，這點和數(shù)字單元里面的MOS管不同；MOS管的參數(shù)為w，l，m（倍數(shù)）。NMOS符號圖：GSDGDS第49頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201050三端MOS管的襯底電位在模擬應(yīng)用里面，MOS管的襯底電位至關(guān)重要；常用的幾種賦值方式：bn＝Sbn＝VDD?。▽τ赑管）bn＝GND！（對于N管）實際項目中以具體的信號來對bn賦值，如果襯底屬性不能用某個信號表示，則需要提成四端MOS管。第50頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201051襯底電位的判斷在普通的模擬電路中，P管的襯底電位主要就是兩種，VDD或者S，只有在高壓電路中，比如EEPROM周邊電路中，才會大量出現(xiàn)襯底為其他電位的情況。只有一個襯底信號，那么所有N管襯底相同，如果襯底有多個信號，取最近的信號作為管子襯底。第51頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010523.2四端MOS管PMOS4符號圖：四端MOS管比三端MOS管多一個端口，B端口，由襯底引出；bn屬性不用配置，其余屬性和三端MOS管相同。NMOS4符號圖：GSDBGSDB第52頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201053四端MOS管框取提N/PMOS4時，由于Analyzer沒有提供直接框取MOS4的功能，所以先框成三端MOS管，然后手動點一個B端口，同時去掉bn屬性，將類型名稱改為N/PMOS4。第53頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201054MOS管框取步驟單管是模擬項目中出現(xiàn)次數(shù)最多的器件，而且框取步驟較多，容易錯，下面提供一種參考流程。首先要繪制電源地線，配置模擬器件，注意不要多配置。第一步，識別P還是N管，同時識別襯底電位第二步，點擊模板框取，填好bn參數(shù)和m參數(shù)第三部，識別源漏，然后將三個端口調(diào)整到合適位置第四部，模擬器件全部框完后，統(tǒng)一量參數(shù)在框同一個管子時，一次性做完前3個步驟。第54頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201055判斷MOS管源漏模擬器件框取最困難，最具技巧性的就是判斷管子的源漏了。對P管來說，源端電位高于漏端電位，對N管來說，源端電位低于漏端電位。根據(jù)這個原則，可以歸納出幾條：P管連電源的一端為S，N管連電源的一端為DN管連地的一端為S，P管連地的一端為DP管連襯底的一端通常為S如果某管子源漏其中一端和柵短接，這頭通常是漏，但做二極管的MOS管例外，不過這種管子通常出現(xiàn)在PAD區(qū)，漏端很寬（請參看P46）P管和N管通常是DD相連，P管和P管是DS相連，N管和N管是DS相連第55頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201056*MOS管做保護(hù)電路把MOS管的柵和源端連接起來，可以形成一個箝位電路，用作過電壓保護(hù)。如果INPUT電壓小于VDD，管I14的VSG=0，管子不導(dǎo)通，如果INPUT電源大于VDD，I14的SD將會顛倒，圖中標(biāo)注的D端將變成S端，VSG>0，管子導(dǎo)通，工作機(jī)制和I20相同。對于I13，情形類似，請自己分析。第56頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010574CMOS工藝中的二極管二極管符號圖：P襯底MINUSPLUSN+N+P+N阱P+PLUSMINUSdiffdiffplusminus第57頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201058二極管的識別二極管的端口PLUS代表P區(qū)域，MINUS代表N區(qū)域，所以，端口不能顛倒。二極管可以從染色顏色上來區(qū)分，通常深顏色為P。也可以從結(jié)構(gòu)來區(qū)分，二極管通常是用來做保護(hù)電路，都是反偏的，通過這點可以識別端口。minusplusplusminus第58頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010595CMOS工藝中的三極管三極管符號圖：

NPN型：

PNP型：BCEBEC對比NMOS管和PMOS：GDSGSD可以認(rèn)為，MOS管的G，S，D端對應(yīng)三極管的B，E，C端第59頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201060CMOS工藝中的三極管

NPN型：

PNP型：BCEBEC三極管為兩個PN結(jié)，E和B，C和BN區(qū)域N區(qū)域P區(qū)域N區(qū)域P區(qū)域P區(qū)域第60頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-2010615.1VPNP三極管VPNP（縱向）型三極管的典型結(jié)構(gòu)，可以看到B極環(huán)繞了E極。而C極又環(huán)繞了E和B。P襯底N阱N阱內(nèi)P注入EBC第61頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201062VPNP三極管P襯底N阱P+EP+CN+BN+VPNP（縱向）型三極管的縱剖圖：P+第62頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201063CMOS工藝中的三極管很明顯的三個極，形成圓環(huán)套圓環(huán)結(jié)構(gòu)。從里到外依次為E，B，CBEC第63頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201064區(qū)分三極管和二極管二極管和三極管是比較讓人困惑的兩類器件，因為兩類器件區(qū)分度并不大，有些器件，既能框成二極管，又能框成三極管。實際提取時，只能根據(jù)器件的作用來區(qū)分。二極管通常用來做ESD保護(hù)電路三極管通常用來做內(nèi)部基準(zhǔn)和啟動電路有了上面的認(rèn)識后，可以總結(jié)出這樣的規(guī)律：三圓兩扁，三極管最里面的一極是正方形，二極管則是扁的三極管的環(huán)是正方形，二極管則是跑道型三極管用在芯片內(nèi)部電路，二極管用在芯片PAD電路三極管通常排成陣列形式，二極管通常排成對偶形式第64頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201065第三章基本數(shù)字單元第65頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201066常見數(shù)字器件1INV2NAND23NOR4NOR25TRIGATE6MX217DFC第66頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201067數(shù)字單元符號圖常見的數(shù)字單元及符號圖INVNAND2NOR2AND2…第67頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201068反相器的實現(xiàn)（1）用PMOS和NMOS可以實現(xiàn)所有的數(shù)字邏輯，先考慮最簡單的邏輯——非A端輸入‘0’(GND)，對于P管，此時有VSG=VDD，P管導(dǎo)通；同時N管VGS=0，N管截止，ZN=VDD，輸出‘1’。A端輸入‘1’(VDD)，對于N管，此時有VGS=VDD，N管導(dǎo)通，同時P管VSG=0，P管截止，ZN=GND，輸出‘0’。第68頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201069反相器的實現(xiàn)（2）理想反相器的輸入輸出波形：AZNZN=A第69頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201070INV的版圖實現(xiàn)N注入P注入NWELLDIFFMETAL1DIFF_M1POLY第70頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201071NAND2的實現(xiàn)2輸入與非門的表達(dá)式：ZN=A1&A2當(dāng)A1或A2有一個為0時，ZN馬上輸出1，只有A1和A2都為1時，ZN才能輸出0；靠近輸出端的為A1，符號圖上，靠上的為A1。第71頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201072NAND2的版圖實現(xiàn)N注入P注入NWELLDIFFMETAL1DIFF_M1POLY第72頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201073NOR的實現(xiàn)2輸入或非門的表達(dá)式：ZN=A1|A2當(dāng)A1或A2有一個為1時，ZN馬上輸出0，只有A1和A2都為0時，ZN才能輸出1；靠近輸出端的為A1，符號圖上，靠上的為A1。第73頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201074NOR2的版圖實現(xiàn)N注入P注入NWELLDIFFMETAL1DIFF_M1POLY第74頁，共81頁。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司?2002-201075三態(tài)