版图设计基础new

第四章版图设计基础版图(Layout)是集成电路设计者将设计并模拟优化后的电路转化成的一系列几何图形，它包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关器件的所有物理信息。集成电路制造厂家根据这些信息来制造掩膜。版图设计的概念版图是包含集成电路的器件类型、器件尺寸、器件之间的相对位置及各个器件之间的连接关系等相关物理信息的图形，这些图形由位于不同绘图层上的基本几何图形构成。版图设计（物理层设计）•版图设计的重要性：集成电路设计的最终目标电路功能和性能的物理实现；布局、布线方案决定着芯片正常工作、面积、速度；经验很重要。•版图设计的目标：实现电路正确物理连接，将设计好的电路映射到硅片上进行生产。芯片面积最小，性能优化（连线总延迟最小）•版图设计包括：基本元器件版图设计；布局和布线；版图检验与分析。版图设计过程•版图设计主要包括模块设计、芯片规划、布局、布线等，是一个组合规划和巧拼图形的工作。在一个规则形伏（一般为长方形）平面区域内不重叠地布局多个模块（亦称部件），在各模块之间按电路连接信息的要求逐行布线。版图设计是从逻辑信息向几何信息的转换。版图设计过程（一）模块设计•芯片设计中最小的单位是元件，设计过程从元件，门，基本单元，宏单元，芯片，从小到大进行。基本单元和宏单元可视为模块。模块设计是最基本的环节。（二）芯片规划•根据已知的模块数量和线网连接表来估算芯片面积，其中模块大约占用一半，另一半用来作为布线通道。三）布局•布局是指如何把各个模块合理地排布在芯片上，怎样确定每个模块的最佳位置，以使占用芯片面积为最小且布线结果又最好。版图设计过程（四）布线•模块位置确定之后，把各个模块的相应端口按一定的规则和电路的要求，用互连线连接起来。布线应达到下列要求：•布线的总长度最短；•分布均匀；•布通率尽可能达到100％。•布线的优劣决定电路的工作速度和芯片面积大小。决定VLSI芯片工作速度的主要因素，实际上往往不是MOS或双极晶体管本身，而是互连线造成的延迟。过长的互连线使电路性能降低。当自动布线难以达到100％的布通率时，可用人机交互方式进行人工干涉。绘图层•版图设计师所需绘制版图的分层数目已经减小到制版工艺所要求的最小数目，这个最小数目的层称为绘图层。•绘图层数目的最小化，降低了CAD软件的计算需求，减小了人为错误并简化了分层管理，生成光学掩膜的掩膜层或者分层的形状有时会和绘图层不同•掩膜层的层数可能比绘图层多很多。附加的掩膜层是从绘图层中自动生成的。•为了适应制造工艺的变化，掩膜层的尺寸可能会根据绘图层做一定的调整。这个调整会由制版工艺自动生成。所提到的“层”，都是指绘图层绘图层•N阱层（NWell）•有源区层（Active）•多晶硅栅层（Poly）•P选择层（PSelect）•N选择层（NSelect）•接触孔层（Contact）•通孔层（Via）•金属层（Metal）•文字标注层（Text）•焊盘层（Pad）N阱层（Nwell）“N阱”用来确定N型衬底的区域。有源区层（Active）有源区是晶体管的源区和漏区建立的基础源区和漏区是通过多晶硅栅两旁的有源区来确定，有源区旁的场氧化区起隔离作用。N选择层和P选择层（Nselect、Pselect）MOS晶体管有源区是通过将N型杂质离子或P型杂质离子注入到N选择层或P选择层掩膜定义的衬底的区域中形成，所以N选择层或P选择层用来定义覆盖包含有源区的区域N选择层（P选择层）和有源区共同形成了扩散区（ndiff或diff，又称N+或P+）多晶硅栅层•栅极通常用多晶硅来进行沉积。•多晶硅还可以用来生成电阻•互连，电阻较大，仅用于内部单元，防止走线太长而增加电阻值金属层•金属层在集成电路芯片中起到互连的作用•金属层数的多少表示了集成电路芯片的复杂程度•在版图设计中，金属层用线条来表示，线条拐角可以是90也可以是45，不同金属通常用M1、M2、M3等来表示，并用不同的颜色的线条来进行区别•用来进行电源线和地线的布线。在布电源线的时候，金属线条的宽度通常要大于设计规则中定义的最小宽度，防止电流过大将金属线条熔断，造成断路现象接触孔层和通孔层•接触孔包括有源区接触孔（ActiveContact）和多晶硅接触孔（polycontact）•有源区接触孔用来连接第一层金属和N+或P+区域，在版图设计中有源区接触孔的形状通常是正方形。•应该尽可能多地打接触孔，这是因为接触孔是由金属形成，存在一定的阻值，假设每个接触孔的阻值是R，多个接触孔相当于多个并联的电阻•多晶硅接触孔：用来连接第一层金属和多晶硅栅，其形状通常也是正方形通孔：用于相邻两金属层的连接，其形状也是正方形。在面积允许的情况下应尽可能多的打通孔在版图设计中，接触孔只有一层，而通孔可能需要很多层。连接第一层和第二层金属的通孔表示为V1，连接第二层和第三层金属的通孔表示为V2•文字标注层用于版图中的文字标注，目的是方便设计者对器件、信号线、电源线、地线等进行标注，便于版图的查看，尤其是在进行验证的时候，便于查找错误的位置。在进行版图制造的时候并不会生成相应的掩膜层焊盘层提供芯片内部信号到封装接脚的连接，其尺寸通常定义为绑定导线需要的最小尺寸NwellactivepolyP+implantN+implantomicontactmetalAPMOSExampleNwellNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalP－typeSiSiO2光刻胶光MASKPwellP－typeSiSiO2光刻胶光刻胶MASKPwellP－typeSiSiO2光刻胶光刻胶SiO2P－typeSiSiO2SiO2NwellNwellactiveNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalP－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶MASKactiveMASKActiveSi3N4P－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶光刻胶MASKactiveMASKActiveSi3N4P－typeSiSiO2NwellSiO2光刻胶光刻胶Si3N4P－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧NwellSi3N4P－typeSiSiO2Pwell场氧场氧场氧NwellP－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧NwellpolyactiveNwellpolyNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalP－typeSiSiO2PwellSiO2MASKpoly场氧场氧场氧Nwellpoly光刻胶P－typeSiSiO2PwellSiO2MASKpoly场氧场氧场氧Nwell光刻胶polyP－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧NwellpolyP－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧NwellpolyactiveNwellpolyP+implantNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalP－typeSiSiO2PwellSiO2MASKP+场氧场氧场氧Nwellpoly光刻胶P－typeSiSiO2PwellSiO2场氧场氧场氧Nwell光刻胶polyP+implantS/DactiveNwellpolyN+implantNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalP－typeSiSiO2PwellSiO2MASKN+场氧场氧场氧Nwellpoly光刻胶光S/DNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalNwellactivepolyP+implantN+implantomicontactNwellactivepolyP+implantN+implantomicontactmetalNwellActivePolyP+implantN+implantOmicontactMetalNwellPMOS晶体管的版图activeNselectPselectPolymetal1ActivecontactNMOS晶体管的版图activeNselectPselectPolyActivecontactmetal1•集成电路中的电阻分为:无源电阻和有源电阻，•无源电阻通常是采用掺杂半导体或合金材料制作而成•有源电阻则是将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管在不同的工作区所表现出来的不同电阻特性来做电阻方块电阻：R=ρL/S=ρL/dW=(ρ/d)L/WR=ρ/dR=RL/W方块电阻与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深有关对于集成电路来说，方块电阻是基本单位，量纲是Ω/只要知道材料的方块电阻，就可以根据所需要的电阻值计算出电阻的方块数，即电阻条的长度和宽度比栅极多晶：2-3Ω/;金属：20-100mΩ/多晶：20-30Ω/;扩散区：2-200Ω/硅芯片上的电子世界--电阻•电阻：具有稳定的导电能力（半导体、导体）；薄膜电阻硅片厚度：百纳米宽度：微米•芯片上的电阻：薄膜电阻；•MOS集成电路中的无源电阻•扩散电阻、多晶硅电阻、阱电阻（1）多晶硅电阻最常用，结构简单。在场氧（非薄氧区域）。P型衬底电阻的版图设计多晶硅电阻（poly）电阻值：掺杂浓度、多晶硅的厚度、多晶硅的长宽比、多晶硅电阻版图设计•比例电阻的版图结构需5K,10K,15K电阻，采用5K单位电阻：P型衬底（2）扩散电阻在源漏扩散时形成，有N+扩散和P＋扩散电阻。在CMOSN阱工艺下，N+扩散电阻是做在PSUB上，P＋扩散是在N阱里。P型衬底N阱N+扩散电阻P+扩散电阻P+接地PN结反型隔离N+接电源PN结反型隔离P型衬底（3）阱电阻阱电阻就是一N阱条，两头进行N+扩散以进行接触。N阱阱电阻（N-Well）（4）MOS集成电路中的有源电阻利用MOS管的沟道电阻。所占的芯片面积要比其他电阻小的多，但它是一个非线性的电阻（电阻大小与端电压有关）。在模拟集成电路中MOS管可以做有源电阻，例如，把它的栅极和漏极相连，MOS管始终处于饱和区就形成了一个非线性电阻。TGSDSVVVIDSVTPVVGSIO(b)IDSVTNVVGSIO(a)DSG+-IVDVSGI+-•集成电容•*两端元件，电荷的容器——Q=CV•*最基本的无源元件之一，是电源滤波电路，信号滤波电路，开关电容电路中必不可少的元件硅片几十微米硅芯片上的电子世界--电容•电容：一对电极中间夹一层电介质的三明治结构；•硅芯片上的薄膜电容：下电极：金属或多晶硅氧化硅电介质上电极：金属或多晶硅•集成电路中的集成电容•金属-金属（多层金属工艺，MIM）•金属-多晶硅•多晶硅-多晶硅（双层多晶硅工艺,PIP）•金属-扩散区•多晶硅-扩散区•PN结电容•MOS电容:多晶硅栅极与沟道（源/漏极）平板电容MIM结构，使用顶层金属与其下一层金属；下极板与衬底的寄生电容小；精度好；PIP、MIP结构，传统结构；第n-1层金属MIM上电级第n层金属钝化层常见结构：MIM,PIP,MIP；比例电容的版图结构P型衬底C2=8C1平板电容多晶硅-扩散区电容*电容作在扩散区上,它的上极板是第一层多晶硅，下极板是扩散区,中间的介质是氧化层。在沉积多晶硅之前，先在下电极板区域进行掺杂。•MOS电容：•结构和MOS晶体管一样,是一个感应沟道电容,当栅上加电压形成沟道时电容存在.一极是栅,另一极是沟道,沟道这一极由S(D)端引出电容的大小取决于面积,氧化层的厚度及介电数.•MOS电容：•*非线性电容，适用于电源滤波硅芯片上的电子世界--电感•电感：缠绕的线圈；•硅芯片上的薄膜电感：硅片几十微米关键尺寸与剖面图•D:边长/直径diameter•W:线条宽度width•S:线条间隔spacingbetween•N:匝数numberofturnsP-siliconSubstrateOxideViaM1M2M2M3WSDN•在硅衬底上形成一层厚的氧化硅，•沉积第