集成電路后端設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介課件

集成電路后端

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介第一部分

簡(jiǎn)單導(dǎo)言集成電路的發(fā)展集成電路（IC：IntegratedCircuit）是指通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容、電感等無(wú)源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體晶片上，并封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的一種器件。1965年，Intel公司創(chuàng)始人之一的GordenE.Moore博士在研究存貯器芯片上晶體管增長(zhǎng)數(shù)的時(shí)間關(guān)系時(shí)預(yù)測(cè)，芯片上晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月翻一番或每三年翻兩番，這一關(guān)系被稱為摩爾定律(Moore'sLaw)集成電路設(shè)計(jì)方法全定制方法（Full-CustomDesignApproach）適用于要求得到最高速度、最低功耗、最省面積和最高成品率的芯片設(shè)計(jì)完全是由用戶設(shè)計(jì)師根據(jù)所選定的生產(chǎn)工藝按自己的要求獨(dú)立地進(jìn)行集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣可以使所設(shè)計(jì)的電路具有盡可能高的工作速度、盡可能小的芯片面積和滿意的封裝針對(duì)每個(gè)晶體管進(jìn)行電路參數(shù)和版圖優(yōu)化，以獲得最佳的性能(包括速度和功耗)以及最小的芯片面積。由于這種設(shè)計(jì)方法版圖布局和布線都要用人工布置得盡可能緊湊，所以設(shè)計(jì)過(guò)程要花費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間。不僅開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)如此，檢驗(yàn)和改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤也是非常艱巨的工作半定制方法（Semi-CustomDesignApproach）是一種庫(kù)單元設(shè)計(jì)方法各個(gè)單元具有同一高度(指版圖尺寸)，但寬度不等。單元本身經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，并完成了設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和電學(xué)性能驗(yàn)證設(shè)計(jì)者將所需要的單元從標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中調(diào)出來(lái)，并排列成行，行間留有可調(diào)整的布線通道。再按設(shè)計(jì)電路的功能要求將各內(nèi)部單元以及輸入/輸出單元連接起來(lái)，就得到所需的芯片版圖第二部分

CMOS原理MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱為MOS管（或器件），其核心結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)體、絕緣體與構(gòu)成管子襯底的摻雜半導(dǎo)體這三層材料疊在一起組成的。根據(jù)形成導(dǎo)電溝道的載流子的類型，MOS管被分為NMOS和PMOS。MOS晶體管實(shí)際是由兩個(gè)PN結(jié)和一個(gè)柵電容組成的，包括Cgs、Cgd、Cgb。在MOS結(jié)構(gòu)中，柵極為控制電極，它控制著漏和源之間溝道的電流。早期的柵極材料采用的就是良導(dǎo)體金屬鋁。當(dāng)代先進(jìn)的MOS工藝都采用多晶硅作為柵極導(dǎo)電材料。所謂的CMOS則表示這樣一種工藝和電路，其中nMOS和pMOS兩種類型的MOS管制作在同一芯片上。P型MOS管物理結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)MOS晶體管的基本工作原理

從漏到源是兩個(gè)背對(duì)背的二極管。它們之間所能流過(guò)的電流就是二極管的反向漏電流。

如果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，從靜電學(xué)的觀點(diǎn)看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P型襯底中的可動(dòng)的空穴電荷而吸引電子。

引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓VT。MOS晶體管的基本工作原理根據(jù)閾值電壓不同，常把MOS器件分成增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件。對(duì)于N溝MOS器件而言，將閾值電壓VT＞0的器件稱為增強(qiáng)型器件，閾值電壓VT＜0的器件，稱為耗盡型器件。PMOS器件和NMOS器件在結(jié)構(gòu)上是一樣的，只是源漏襯底的材料類型和NMOS相反，工作電壓的極性也正好相反。

MOS晶體管性能分析

在電學(xué)上MOS管作為一種電壓控制的開(kāi)關(guān)器件。

當(dāng)柵-源電壓Vgs等于開(kāi)啟電壓VT時(shí)，該器件開(kāi)始導(dǎo)通。當(dāng)源-漏間加一電壓Vds以及

Vgs=VT時(shí)，由于源-漏電壓和柵-襯底電壓而分別產(chǎn)生的電場(chǎng)水平和垂直分量的作用，沿著溝道就出現(xiàn)了導(dǎo)電。源-漏電壓（即Vds＞0）所產(chǎn)生的電場(chǎng)水平分量起著使電子沿溝道向漏極運(yùn)動(dòng)的作用。隨著源-漏電壓的增加，沿溝道電阻的壓降會(huì)改變溝道的形狀MOS晶體管性能分析（3）當(dāng)有效柵電壓（Vgs－VT）比漏極電壓大時(shí)，隨著Vgs的增加，溝道變得更深，這時(shí)溝道電流Ids既是柵極電壓也是漏極電壓的函數(shù)，習(xí)慣上稱這個(gè)區(qū)域?yàn)椤熬€性”區(qū)，或“電阻”區(qū)，或“非飽和”區(qū)。

（4）如果Vds大于Vgs－VT；即，當(dāng)Vgd＜VT（Vgd為柵-漏電壓）時(shí)，溝道不再伸展到漏極，處于夾斷狀態(tài)。在這種情況下，導(dǎo)電是由于正漏極電壓作用下電子的漂移機(jī)理所引起的。

MOS晶體管性能分析（5）在電子離開(kāi)溝道后，電子注入到漏區(qū)耗盡層中，接著向漏區(qū)加速。溝道夾斷處的電壓降不變，保持在Vgs－VT，這種情況為“飽和”狀態(tài)。這時(shí)溝道電流受柵極電壓控制，幾乎與漏極電壓無(wú)關(guān)。

（6）影響源極流向漏極（對(duì)于給定的襯底電阻率）的漏極電流Ids大小的因素有：1、源、漏之間的距離；2、溝道寬度；3、開(kāi)啟電壓VT；4、柵絕緣氧化層的厚度；5、柵絕緣層的介電常數(shù)；6、載流子（電子或空穴）的遷移率μ。MOS晶體管性能分析描述NMOS器件在三個(gè)區(qū)域中性能的理想表達(dá)式為：

0（a）截止區(qū)

Ids＝

Vgs－VT≤0

（b）線性區(qū)

0＜Vgs－VT＜Vds

（c）飽和區(qū)MOS器件電壓-電流特性

N型MOS管和P型MOS管工作在線性區(qū)和飽和區(qū)時(shí)的電壓-電流特性曲線：

簡(jiǎn)單MOS管的工藝步驟Al柵工藝Si柵工藝（自對(duì)準(zhǔn)）Si柵工藝（以NMOS為例）（1）一次氧化（8）光刻引線孔（2）光刻有源區(qū)（9）蒸鋁、反刻、合金化（3）柵氧化（4）生長(zhǎng)多晶硅（5）光刻?hào)艠O（6）S、D摻雜（7）氧化第三部分

簡(jiǎn)單門電路的版圖繪制CMOS反相器的工作原理

CMOS反相器是CMOS門電路中最基本的邏輯部件，大多數(shù)的邏輯門電路均可通過(guò)等效反相器進(jìn)行基本設(shè)計(jì)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，完成最終設(shè)計(jì)。所以，基本反相器的設(shè)計(jì)就成為邏輯部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。CMOS反相器器件物理結(jié)構(gòu)剖面圖

圖中在N型硅襯底上專門制作一塊P型區(qū)域，用來(lái)制作NMOS管，在N型襯底上制作PMOS管。為了防止源/漏區(qū)域襯底出現(xiàn)正偏置，通常N型襯底要借電路中的最低電位，N阱應(yīng)接電路中最高的電位。為保證電位接觸良好，必須形成歐姆接觸，在接觸點(diǎn)采用重?fù)诫s結(jié)構(gòu)。CMOS反向器的工作原理如果分別定義n溝道和p溝道晶體管的閾值電壓為VTn(如0.7V)和VTp(如–0.7V)。在Vi＝0時(shí)，因?yàn)閂i＜0.7V，n溝道晶體管截止；但因?yàn)閂i＝0＞VTp(—0.7V)，故p溝道晶體管導(dǎo)通，所以Vo=VDD。當(dāng)Vi升高使得n溝道晶體管的柵極電壓超過(guò)VTn時(shí)，它開(kāi)始導(dǎo)通，其電流流過(guò)P溝道晶體管。若再繼續(xù)增加Vi，將使P溝道器件的柵源之間電壓接近于P溝道閾值電壓VTp，甚至低于VTp，最后導(dǎo)致它截止，此時(shí)Vi＝VDD,Vo=VSS（0V）。值得指出的是，任一種邏輯狀態(tài)，不管是Vi為VDD或?yàn)閂SS，兩個(gè)晶體管必有一個(gè)截止。因此，在任一邏輯狀態(tài)下，只有非常小的電流從VDD流向VSS，所以耗電很少。對(duì)高密度應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CMOS的低功耗是它最重要的優(yōu)點(diǎn)。垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)

金屬線從管子中間穿過(guò)的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)

金屬線從管子上下穿過(guò)的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)

有多晶硅線穿過(guò)的垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)

與非門和或非門電路二輸入與非門電路圖如下：與非門和或非門電路與非門工作原理：

對(duì)于與非門，當(dāng)INA（INB）為低電平時(shí)，M2（M1）導(dǎo)通，M3（M4）截止，形成從VDD到輸出OUT的通路，阻斷了OUT到地的通路。這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)有限的PMOS管導(dǎo)通電阻（稱為上拉電阻）和一個(gè)無(wú)窮大的NMOS管的截止電阻（盡管有一個(gè)NMOS管在導(dǎo)通態(tài)，但因?yàn)榇?lián)電阻值取決于大電阻，從OUT看進(jìn)去的NMOS管電阻仍是無(wú)窮大）的串聯(lián)分壓電路，輸出為高電平（VDD）。如果INA和INB均為高電平，使得兩個(gè)NMOS管均導(dǎo)通，兩個(gè)PMOS管均截止，形成了從OUT到地的通路，阻斷了OUT到電源的通路，呈現(xiàn)一個(gè)有限的NMOS導(dǎo)通電阻（稱為下拉電阻，其值為單個(gè)NMOS管導(dǎo)通電阻的兩倍）和無(wú)窮大的PMOS管截止電阻的分壓結(jié)果，輸出為低電平。與非門和或非門電路二輸入或非門電路圖如下：

與非門和或非門電路或非門工作原理：對(duì)于或非門，由類似的分析可知，當(dāng)INA和INB同時(shí)為低電平時(shí)，分壓的結(jié)果使得輸出為高電平，當(dāng)INA和INB有一個(gè)為高電平或兩個(gè)都為高電平時(shí)，MOS管電阻分壓的結(jié)果是輸出為低電平。只不過(guò)兩個(gè)NMOS管全導(dǎo)通時(shí)（并聯(lián)關(guān)系）的等效下拉電阻是單管導(dǎo)通電阻的一半。與非門和或非門版圖與非門版圖：與非門和或非門版圖或非門版圖：CMOS傳輸門CMOS傳輸門電路圖：CMOS傳輸門CMOS傳輸門工作原理：從MOS晶體管的基本工作原理我們已經(jīng)知道：當(dāng)MOS管的表面形成導(dǎo)電溝道后,器件源漏極之間就呈現(xiàn)低電阻連通；反之，如果MOS管截止，器件的源漏就呈現(xiàn)高電阻斷開(kāi)，因此MOS器件是一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)候，就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，這時(shí)將它們稱為傳輸門。

CMOS傳輸門CMOS傳輸門工作原理：在圖中的CMOS傳輸門采用了P管和N管對(duì)，控制信號(hào)和C分別控制P管和N管，使兩管同時(shí)關(guān)斷和開(kāi)通。由于PMOS管對(duì)輸入信號(hào)S高電平的傳輸性能好，而NMOS管對(duì)輸入信號(hào)S低電平的傳輸性能好，從而使信號(hào)S可以獲得全幅度的傳送而沒(méi)有電平損失。CMOS傳輸門CMOS傳輸門版圖：驅(qū)動(dòng)電路任何一個(gè)邏輯門都有一定的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)它所要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載超過(guò)了它的能力，就將導(dǎo)致速度性能的嚴(yán)重退化。設(shè)計(jì)者可根據(jù)負(fù)載大小以及脈沖邊沿的要求決定驅(qū)動(dòng)級(jí)器件尺寸，如果驅(qū)動(dòng)級(jí)尺寸很大且和前級(jí)功能電路的驅(qū)動(dòng)能力不相匹配，應(yīng)該在兩者之間加一些緩沖級(jí)，以達(dá)到最佳匹配。由于驅(qū)動(dòng)電路的管子W/L較大，所以往往采用折線柵和并聯(lián)管子的方法以減少面積。下圖就是驅(qū)動(dòng)電路常用的一個(gè)大寬長(zhǎng)比的非門版圖。驅(qū)動(dòng)電路大寬長(zhǎng)比非門版圖：IO單元、無(wú)源器件及互連線的設(shè)計(jì)任何一種設(shè)計(jì)技術(shù)，版圖結(jié)構(gòu)都需要焊盤輸入/輸出單元（I/O

PAD）。承擔(dān)輸入、輸出信號(hào)接口的I/O單元就不再僅僅是焊盤（Pad），而是具有一定功能的功能塊。這些功能塊擔(dān)負(fù)著對(duì)外的驅(qū)動(dòng)，內(nèi)外的隔離、輸入保護(hù)或其他接口功能。

輸入電路 輸入單元主要承擔(dān)對(duì)內(nèi)部電路的保護(hù)，一般認(rèn)為外部信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力足夠大，輸入單元不必具備再驅(qū)動(dòng)功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸入保護(hù)電路。 一般來(lái)講輸入電路是由壓焊快(PAD)、電阻R、兩個(gè)二極管和反相器組成。輸入電路（1）通過(guò)D1、D2兩個(gè)二極管使得輸入管信號(hào)被鉗制在GND-0.7v~VDD+0.7v之間。（2）D1稱為上拉二極管，相對(duì)電源起到保護(hù)作用。（3）D2稱為下拉二極管，相對(duì)地起到保護(hù)作用。輸出電路輸出單元的主要任務(wù)是提供一定的驅(qū)動(dòng)能力，防止內(nèi)部邏輯過(guò)負(fù)荷而損壞。另一方面，輸出單元還承擔(dān)了一定的邏輯功能，單元具有一定的可操作性。與輸入電路相比，輸出單元的電路形式比較多輸出電路一般由一級(jí)或兩級(jí)反相器組成輸出電路 一級(jí)反相：顧名思義，反相輸出就是內(nèi)部信號(hào)經(jīng)反相后輸出。這個(gè)反相器除了完成反相的功能外，另一個(gè)主要作用是提供一定的驅(qū)動(dòng)能力。

構(gòu)成這個(gè)反相器版圖的NMOS和PMOS管的尺寸應(yīng)該比較大。輸出電路 二級(jí)反相：也就是由兩個(gè)反相器，內(nèi)部信號(hào)是同相輸出的。無(wú)源器件1、集成電阻2、集成電容互連線1、金屬線互連金屬線互連主要用于傳輸電流密度大的地方。在版圖中遠(yuǎn)距離連線采用的是金屬線，電源線和地線一般也采用金屬連線。2、擴(kuò)散區(qū)連線擴(kuò)散區(qū)連線僅限于短而寬的連線。3、多晶硅連線多晶硅連線也僅限于短而寬的連線。第四部分

版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則可看作是對(duì)光刻掩模版制備要求。一般來(lái)講，設(shè)計(jì)規(guī)則反映了性能和成品率之間可能的最好的折衷。規(guī)則越保守，能工作的電路就越多(即成品率越高)；然而，規(guī)則越富有進(jìn)取性，則電路性能改進(jìn)的可能性也越大，這種改進(jìn)可能是以犧牲成品率為代價(jià)的。

版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則（1）微米規(guī)則（2）λ規(guī)則

版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則大部分設(shè)計(jì)規(guī)則都可以歸納入以下描述的四種規(guī)則之一。（1）最小寬度（2）最小間距（3）最小包圍（4）最小延伸版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則（硅柵）舉例：

版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則版圖幾何設(shè)計(jì)規(guī)則第五部分

版圖設(shè)計(jì)流程版圖設(shè)計(jì)是制造集成電路的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助的版圖設(shè)計(jì)將電路中所有元器件及其相互連接轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行芯片光刻加工、正確可靠的掩模圖形數(shù)據(jù)。專門的掩模制備公司利用所提供的數(shù)據(jù)，制備出符合流片需要的多層掩模。版圖設(shè)計(jì)版圖的構(gòu)成（1）版圖由多種基本的幾何圖形所構(gòu)成。（2）常見(jiàn)的幾何圖形有：矩形（rectangle）、多邊形（polygon）、等寬線(path和wire)、圓形（circle）等。（3）版圖設(shè)計(jì)軟件常采用兩種長(zhǎng)度單位——用戶單位或數(shù)據(jù)單位。用戶單位以長(zhǎng)度的自然單位為單位，如以μm或mil為單位。數(shù)據(jù)單位則以數(shù)據(jù)庫(kù)中所使用的長(zhǎng)度單位為單位。（4）在版圖設(shè)計(jì)中所使用圖形編輯器，可以在終端上實(shí)現(xiàn)版圖的制作、修改和編輯管理。版圖設(shè)計(jì)版圖布局布線（1）布局就是將組成集成電路的各部分合理地布置在芯片上。布局是一個(gè)嵌套的過(guò)程。（2）布局有層次，即器件級(jí)的布局、基本單元級(jí)的布局，功能塊級(jí)的布局。（3）布線就是按電路圖給出的連接關(guān)系，在版圖上布置元器件之間、各部分之間的連接。版圖設(shè)計(jì)單元和單元庫(kù)的建立（1）在版圖設(shè)計(jì)階段，無(wú)論是全定制還是半定制版圖設(shè)計(jì)一定都會(huì)用到單元或單元庫(kù)。（2）單元庫(kù)實(shí)際上包含了四種符號(hào)：·符號(hào)(symbolview)·抽象圖(abstractview)·線路圖(schematicview)·版圖(layoutview)版圖設(shè)計(jì)單元和單元庫(kù)的建立（3）每一單元庫(kù)都應(yīng)與一定的工藝數(shù)據(jù)相聯(lián)系，這些數(shù)據(jù)放在所謂的“工藝文件”(TechnologyFile)中，無(wú)論是建立標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)還是在布局布線階段，都要用到TechnologyFile

版圖設(shè)計(jì)單元和單元庫(kù)的建立（4）TechnologyFile定義設(shè)計(jì)所需的全部物理信息，其中包括：——各層的顏色、線型、顯示或繪圖設(shè)備；——單層和雙層性質(zhì)；——視圖(v