集成电路设计实践3

1六、基础知识六、基础知识ƒ版图的基本概念版图的基本概念ƒCMOS工艺中的元件版图设计规则ƒ版图设计规则ƒ版图设计准则2版图结构版图结构ƒ集成电路加工的平面工艺ƒ集成电路加工的平面工艺制版加工ƒ芯片的剖面结构版工从平面工艺到立体结构，需多层掩膜版故版图需多层掩膜版，故版图是分层次的，由多层图形叠加而成！形叠加而成！3一个简单的例子个简单的例子VddGndoutVddGndout版版图inSi3N4ploymetal1contactN阱N＋P＋P＋N＋N＋N阱P＋FOX剖N＋P-substrateN-阱N管源漏区P管源漏区N-阱面图4N-wellactiveP-implantN-implantpolycontactpy版图分层处理方法metal1版图分层处理方法5版图的层版图的层N-wellactiveP+implantN+implantpoly1metal1poly1metal1contactviametal2VddGndoutviametal2in6版图流程版图流程VddGndoutSi3N4栅栅氧inN阱N＋P＋P＋N＋N＋N阱P＋FOX剖N＋P-substrateN-阱N管源漏区P管源漏区N-阱面图7硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系1N阱——做N阱的封闭图形处，窗口注入形成P管的衬底注入形成P管的衬底2有源区——做晶体管的区域（GDSB区）封闭图形处是氮化（G,D,S,B区），封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层多晶硅做硅栅和多晶硅连线封3多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅8版图流程（1）版图流程（1）N-阱版图Psubstrate图P-substratePhotoresistN-typeImplantN阱N阱剖PhotoresistP-substrateN-阱N-阱面图9硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系1阱——做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管和N管的衬底口注入形成P管和N管的衬底2有源区——做晶体管的区域（GDSB区）封闭图形处是氮化（G,D,S,B区），封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层多晶硅做硅栅和多晶硅连线封3多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅10版图流程（2）版图流程（2）版图titititi图activeactiveactiveactiveP-substrateN阱N阱FOX剖P-substrateN-阱N管有源区P管有源区N-阱面图11硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系1阱——做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管和N管的衬底口注入形成P管和N管的衬底2有源区——做晶体管的区域（GDSB区）封闭图形处是氮化（G,D,S,B区），封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层多晶硅做硅栅和多晶硅连线封3多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅12版图流程（3）版图流程（3）栅栅氧P-substratepoly1N阱N阱FOX剖P-substrateN-阱N-阱面图13硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系4有源区注入——P+,N+区。做源漏及阱或衬底连接区的注入底连接区的注入5接触孔——多晶硅，扩散区和金属线1接触端子。端子6金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝7通孔——两层金属连线之间连接的端子8属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝属线做金属连线封闭图形处保留铝14版图流程（4）版图流程（4）N+implantPhtitN-TypeImplantPhotoresistN阱N＋N＋N＋N阱剖N＋N＋FOXP-substrateN-阱N管源漏区N-阱面图15版图流程（5）版图流程（5）P+implantP-TypeImplantP-TypeImplantN阱N＋P＋P＋N＋N＋N阱P＋FOX剖N＋P-substrateN-阱P管源漏区N-阱面图16硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系4有源区注入——P+,N+注入区。做源漏及阱或衬底连接区的注入阱或衬底连接区的注入5接触孔——多晶硅，扩散区和金属线1接触端子。端子6金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝7通孔——两层金属连线之间连接的端子8属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝属线做金属连线封闭图形处保留铝17版图流程（6）版图流程（6）contactcontactN阱N＋P＋P＋N＋N＋N阱P＋FOX剖N＋contactP-substrateN-阱N管源漏区P管源漏区N-阱面图18硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系4有源区注入——P+,N+区（select）。做源漏及阱或衬底连接区的注入漏及阱或衬底连接区的注入5接触孔——多晶硅，扩散区和金属线1接触端子。端子6金属1——做金属连线，封闭图形处保留铝7通孔——两层金属连线之间连接的端子7通孔两层金属连线之间连接的端子8金属2——做金属连线，封闭图形处保留铝19版图流程（7）版图流程（7）VddGndoutmetal1栅栅氧metal1inN阱N＋P＋P＋N＋N＋N阱P＋FOX剖N＋P-substrateN-阱N管源漏区P管源漏区N-阱面图20硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系4有源区注入——P+,N+区（select）。做源漏及阱或衬底连接区的注入漏及阱或衬底连接区的注入5接触孔——多晶硅，扩散区和金属线1接触端子。端子6金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝7通孔——两层金属连线之间连接的端子8属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝属线做金属连线封闭图形处保留铝21反相器版图与电原理图反相器版图与电原理图VddGndoutiniVddGndinVddout22例：0.18um1p6mlogicprocess注意物理剖面结构和尺度，有助于理解元有助于理解元件特性、寄生参量后端工艺布线前端工艺前端工艺集成元件23认版图练习提取电路；指出是何种单元电路；说明电路的说明电路的工作原理；24六、基础知识六、基础知识ƒ版图的基本概念版图的基本概念ƒCMOS工艺中的元件版图设计规则ƒ版图设计规则ƒ版图设计准则25CMOS集成电路中的元件CMOS集成电路中的元件•MOS晶体管MOS晶体管–版图和结构–电特性–隔离–串联和并联（cascode,差分对，电流镜）•连线•连线•集成电阻•集成电容•集成电容•寄生二极管和三级管26CMOS集成电路中元件CMOS集成电路中元件•MOS晶体管MOS晶体管•连线连线寄生模型–连线寄生模型–寄生影响集成电•集成电阻•集成电容•寄生二极管和三级管27CMOS集成电路中元件CMOS集成电路中元件•MOS晶体管•MOS晶体管•连线•集成电阻•集成电阻–多晶硅电阻–扩散区电阻–阱电阻–MOS电阻导线电阻–导线电阻•集成电容•寄生二极管和三级管•寄生二极管和三级管28CMOS集成电路中元件CMOS集成电路中元件•MOS晶体管晶体管•连线•集成电阻•集成电容–多晶硅-扩散区电容–双层多晶硅电容–双层金属电容(metalcap)–MOS电容–MOS电容–多层“夹心”电容–梳状电容•寄生二极管和三级管29CMOS集成电路中的元件CMOS集成电路中的元件•MOS晶体管MOS晶体管•连线•集成电阻•集成电阻•集成电容寄生二极管和三级管•寄生二极管和三级管–衬底PNPBJTPSD/NWELLDid–PSD/NWELLDiode–NSD/P-epiDiode30MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管–昀基本的有源元件昀基本的有源元件–在CMOS工艺中，有PMOS和NMOS两种两种–可用作跨导元件，开关，有源电阻，MOS电容MOS电容31MOS晶体管MOS晶体管晶体管的G•NMOS晶体管的版图和结构WDGSBDBLSBGNMOS晶体管版图DGSBSNMOS晶体管符号N＋N＋N＋P＋FOXDSBNMOS晶体管剖面图N管源漏区32MOS晶体管MOS晶体管PMOS晶体管的•PMOS晶体管的版图和结构DLWDGSBDBGLSPMOS晶体管版图DGSBPMOS晶体管符号N-阱P＋P＋N-阱FOXN＋PMOS晶体管剖面图P-substrateP管源漏区33MOS晶体管MOS晶体管–在物理版图中只要一条多晶硅跨过一个有源在物理版图中,只要条多晶硅跨过个有源区就形成了一个MOS晶体管,将其D,G,S,B四端用连线引出即可与电路中其它元件连接.•MOS晶体管的电特性–MOS晶体管是用栅电压控制源漏电流的器件,MOS晶体管是用栅电压控制源漏电流的器件,重要的公式是萨方程(I-V方程):IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]34MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的电特性–VD,VG,VS分别是漏,栅,源端的电压,VT是开启电压.–k′是本征导电因子,k′=µ•Cox/2,µ是表面迁移率,属于硅材料参数,Cox是单位面积栅电容,属于工艺参数–WL分别是MOSFET的沟道宽度和长度属于物理参数–W,L分别是MOSFET的沟道宽度和长度,属于物理参数–管子的昀小沟道长度Lmin标志着工艺的水平——特征尺寸,如0.35um,0.18um.W表示管子的大小,W越大则管子越大,导电能力越强,等效电阻越小.35MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的电特性•MOS晶体管的电特性1.晶体管的三种工作状态截止区：IDS=0条件：0≤−−STGVVVDS饱和区：IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]条件：线性区Ik′W/L[(VVV)2(VVV)2]0,0≤−−−−DTGSTGVVVVVV线性区：IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]条件：2.晶体管的开启电压公式0,0−−−−DTGSTGVVVVVV晶体管的开启电压公式[]FBSFTTVVVΦ−+Φ+=220γ36MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的隔离VddGndout在集成电路中,两个无关的晶体管都是用场in体管都是用场氧隔离的inNP＋P＋N＋N＋P＋FOX剖N＋BSGDDSBGP-substrateN-NP＋P＋N＋N＋N-阱P＋剖面图N＋MOS1MOS2将MOS1和MOS2隔离开Psubstrate37MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联•MOS晶体管的串联和并联•并联:晶体管的D端相连,S端相连.如果两个晶体管中有一个晶体管导通从D到S就有如果两个晶体管中有个晶体管导通,从D到S就有电流流过,若两个晶体管都导通,则I=I1+I2.每只晶体管相当于一个电阻,它的并联和电阻并联的规律样等效电减小电流增大的规律一样,等效电阻减小,电流增大.D2DD1DIB2G2BGB1G1I1I2M1M2MeffS2SS1S38MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联*串联:晶体管的S端和另外一个晶体管的D端相连.晶体管的串联和电阻的串联规律相同,等效D电阻增大,电流不变:I=I1=I2.D2DII2B2G2BGD1I2M2MeffS2SB1G1I1M1S1S39MOS晶体管MOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联•MOS晶体管的串联和并联*串联和并联的物理实现P1N1P2N2P1P2N1N2P1P2N2N1P1和P2并联，N1和N2串联40MOS晶体管MOS晶体管•在模拟电路中昀基本的MOS管组合包括•在模拟电路中，昀基本的MOS管组合包括•Cascode•差分对差分对•电流镜P1N1P1P2N1N241连线连线•连线连线*电路由元件和元件间的连线构成*理想的连线在实现连接功能的同时不带来额*理想的连线在实现连接功能的同时，不带来额外的寄生效应*在版图设计中可用来做连线的层有：在版图设计中，可用来做连线的层有：金属，扩散区，多晶硅42连线连线•连线寄生模型连线寄生模型*串联寄生电阻*串联寄生电阻*并联寄生电容RRRRRRRRRRCCCCCCCCC简单的长导线寄生模型43连线连