模拟集成电路版图设计基础

模拟集成电路版图设计基础2015年7月28日目录•前言集成电路工艺基础•一、什么是版图？•二、版图的意义•三、版图与线路图、工艺的关系•四、版图设计的过程•五、版图的组成•六、版图的层次•七、如何绘制版图•八、版图验证与检查•九、版图的艺术集成电路工艺基础P-SiSi3N4P-SiSi3N4P-Si光刻胶Si3N4紫外线照射掩膜版掩膜版图形P-SiSiO2P-Si（1）对P型硅片进行氧化，生成较薄的一层Si3N4，然后进行光刻，刻出有源区后进行场氧化。集成电路工艺基础离子注入SiO2P-SiN＋(d)P-Si多晶硅0.5～2m(c)P-Si(b)（2）进行氧化（栅氧化），在暴露的硅表面生成一层严格控制的薄SiO2层。（3）淀积多晶硅，刻蚀多晶硅以形成栅极及互连线图形。（4）将磷或砷离子注入，多晶硅成为离子注入的掩膜（自对准），形成了MOS管的源区和漏区；同时多晶硅也被掺杂，减小了多晶硅的电阻率。集成电路工艺基础(e)P-SiN＋SiO2淀积SiO2P-SiN＋铝电极引出SiO2(场氧)(f)（5）淀积SiO2，将整个结构用SiO2覆盖起来，刻出与源区和漏区相连的接触孔。（6）把铝或其它金属蒸上去，刻出电极及互连线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？如何精确呢？这就需要我们绘制版图，生产商拿到版图生成的cdl文件就明确了！一、什么是版图？•版图是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示，版图与所采用的制备工艺紧密相关。•版图设计：根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，是集成电路设计的最终输出。二、版图的意义1）集成电路掩膜版图设计师实现集成电路制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且也会极大程度地影响集成电路的性能、成本与功耗。2）它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基本知识，设计出一套符合设计规则的“正确”版图也许并不困难，但是设计出最大程度体现高性能、低功耗、低成本、能实际可靠工作的芯片版图缺不是一朝一夕能学会的本事。三、版图与线路图、工艺的关系•1、逻辑图（线路图）------版图-----工艺（流片，形成实物产品）•2、版图决定于线路图，版图必须和线路图完全一一对应，根据版图提出的线路图，必须完全实现需求的逻辑功能•3、版图受工艺的限制，要么按照特征尺寸画版图，要么对应具体工艺的特征长度，给出每一种情况的具体数值•4、版图的两大任务：完全实现需求的逻辑功能，和逻辑图一样，LVS完全符合实际的物理及工艺要求，DRC，自锁等实际情况四、版图设计的过程•整个版图设计可分为四步：划分、布图规划和布局、布线、压缩。1.划分：由于一个芯片包含上千万个晶体管，在画版图的时候不可能所有的一起画，加之受计算机存储空间和计算能力的限制，需要把整个电路划分为若干个模块，把处理问题的规模缩小。通常我们所涉及到的划分时需考虑的因素：模块的大小，模块的数目、模块之间的连线数。四、版图设计的过程2.布图规划和布局：布图规划是根据模块所包含的器件数估计其面积，再根据该模块与其他模块的连接关系以及上一层模块或芯片的形状估计该模块的形状和相对位置。3.布局的任务是确定模块在芯片上的精确位置，其目标是保证在布通的前提下使芯片面积尽可能小。4.布线：百分之百的完成模块之间的互连，在完成布线的前提下进一步优化布线结果，如：提高电性能、减少通孔数。版图其实就是另一种形式的电路图，作为电路图最基本的有两大组成部分1.器件(常见)1MOS管2电阻3电容2.互连2.2.1金属（第一层金属，第二层金属……）2.2.2通孔五、版图的组成NMOSPMOSMOS管剖面图五、版图的组成1.1MOS管1)NMOS管以TSMC，CMOS，N单阱工艺为例NMOS管，做在P衬底上，沟道为P型，源漏为N型2)包括层次：NIMP，N+注入DIFF，有源区Poly，栅M1，金属CONT，过孔3)MOS管的宽长确定NMOS版图五、版图的组成1.1MOS管1)PMOS管以TSMC，CMOS，N单阱工艺为例PMOS管，做在N阱中，沟道为N型，源漏为P型2)包括层次：NWELL，N阱PIMP，P+注入DIFF，有源区Poly，栅M1，金属CONT，过孔3)MOS管的宽长确定PMOS版图五、版图的组成1.1MOS管反向器器件版图器件剖面图及俯视图五、版图的组成1.1MOS管电阻版图五、版图的组成1.2电阻选择合适的类型，由电阻阻值、方块电阻值，确定W、L；R=L/W*R01)电容值计算C=L*W*C02)电容分类：poly电容MIM电容•基于单位面积电容值MOS电容•源漏接地，基于栅电容，C=W*L*CoxMIM电容版图MOS电容版图五、版图的组成1.3电容2.1金属（第一层金属，第二层金属……）1)金属连线M1，M2，M3，M4……2.2通孔2)过孔Via1，Via2，Via3……五、版图的组成2互连1)典型工艺CMOSN阱1P4M工艺剖面图连线与孔之间的连接五、版图的组成六、版图的层次六、版图的层次VDDDVDDDYN阱Nwell多晶硅PolyN扩散N+通孔Contact金属线MetalP扩散P+注意•在电路图和版图中，PMOS晶体管都与VDD相连接；•在电路图和版图中，NMOS晶体管都与VSS相连接；•在电路图和版图中，NMOS晶体管和PMOS晶体管的栅极有相同的IN信号，而其漏极有相同的OUT信号；•两种晶体管的宽度不同——在之前的例子中，PMOS晶体管的宽度是NMOS晶体管的3倍。•两种晶体管的长度看似相同，但却不同，我们很难辨别它们的差异；•对于N阱来说，N＋区域实际上是与VDD相连接的，而电路图中没有显示这一连接关系；•对于衬底来说，P＋区域实际上是与VSS相连接的。而电路图中没有显示这一连接关系。七、如何绘制版图1.需要的软件工具2.需要做的准备七、如何绘制版图2.需要做的准备七、如何绘制版图3.打开软件七、如何绘制版图3.打开软件七、如何绘制版图3.打开软件七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图4.相关设置七、如何绘制版图5.从原理图将器件导入版图•待前面基本设置完成之后便可从原理图将器件导入版图中•导入后版图中的器件排布位置和原理图中一致•有三种方法可以完成导入七、如何绘制版图6.连接器件（常用快捷键）七、如何绘制版图6.连接器件（常用快捷键）七、如何绘制版图7.实际操作七、如何绘制版图八、版图验证与检查•DRC：几何设计规则检查•ERC：电学规则检查•LVS：网表一致性检查•POSTSIM：后仿真，产生测试向量。提取实际版图的参数、电阻、电容，生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路模拟，以验证所设计出电路的功能和时序性能等。1.模拟版图和数字版图的首要目标2.首先考虑的三个问题3.匹配3.1匹配中心思想3.2匹配问题3.3如何匹配3.4MOS管3.5电阻3.6电容3.7匹配规则4.寄生效应4.1寄生的产生4.2寄生电容4.3寄生电阻4.4天线效应4.5闩锁效应5.噪声6.布局规划7.ESD8.封装九、版图的艺术九、版图的艺术1.模拟电路和数字电路的首要目标模拟电路关注的是功能1)电路性能、匹配、速度等2)没有EDA软件能全自动实现，所以需要手工处理数字电路关注的是面积1)什么都是最小化2)Astro、appollo等自动布局布线工具2.首先考虑的三个问题这个电路时做什么用的？•电路功能？•频率多少？•低寄生参数节点？电流多大？•大电流在哪里？•小电流在哪里？•电流流入其他模块？有哪些匹配要求？•认出节点•认出晶体管•认出其他模块•认出远处部件还有其他什么吗？•器件布置分面的考虑？•金属选择？•隔离要求？九、版图的艺术谢谢！谢谢！放映结束感谢各位的批评指导！让我们共同进步