图设计学习教案

1、会计学1图设计图设计(shj)第一页，共101页。第1页/共101页第二页，共101页。版图(bnt)设计的定义n版图(bnt)（layout）：n版图是集成电路从设计走向制造的桥梁，它包含了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据。n集成电路制造厂家根据这些数据来制造掩膜。n版图设计：n版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述过程，即定义各工艺层图形的形状、尺寸以及不同工艺层的相对位置的过程。第2页/共101页第三页，共101页。版图设计(shj)的内容n设计(shj)内容：n布局：安排各个晶体管、基本单元、复杂单元在芯片上的位置n布线：设计走线，实现管间、门间、单元间的互连

2、n尺寸确定：确定晶体管尺寸（W、L）、互连尺寸（连线宽度）以及晶体管与互连之间的相对尺寸等第3页/共101页第四页，共101页。版图设计(shj)的目标n设计(shj)目标：n满足电路功能、性能指标、质量要求n尽可能节省面积，以提高集成度，降低成本n尽可能缩短连线，以减少复杂度，缩短延时、改善可靠性第4页/共101页第五页，共101页。EDA工具(gngj)的作用n版图(bnt)编辑（Layout Editor ）n规定各个工艺层上图形的形状、尺寸和位置n布局布线（Place and route ）n给出版图的整体规划和各图形间的连接n版图检查（Layout Check ）n设计规则检验（DR

3、C,Design Rule Check）n电气规则检查（ERC,Electrical Rule Check）n版图与电路图一致性检验（LVS,Layout Versus Schematic ）第5页/共101页第六页，共101页。EDA工具(gngj)种类 目前很多集成电路(jchng-dinl)的设计软件都包含有设计版图的功能，如：Cadence公司的Virtuoso LayoutSynopsys公司的ColumbiaMentor Graphics公司的IC Station SDLTanner公司的L-edit中国华大的熊猫系统第6页/共101页第七页，共101页。什么是设计(shj)规则n

4、设计(shj)规则（Design Rule ）n因IC制造水平及物理极限效应对版图几何尺寸提出的限制要求；n是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点和技术水平而制定的；n设计人员与工艺人员之间的接口与“协议”；n版图设计必须无条件的服从的准则。第7页/共101页第八页，共101页。什么(shn me)是设计规则第8页/共101页第九页，共101页。设计规则(guz)与性能和成品率的关系n严格遵守设计规则可以(ky)极大地避免由于短路、断路造成的电路失效和容差以及寄生效应引起的性能劣化。n一般来讲，设计规则反映了性能和成品率之间可能的最好的折衷。n设计规则并不是区分错误设计和正确设计的分界线。n遵

5、守版图设计规则通常大大增加电路成品率的可能性。n违反某些具体设计规则可使电路性能改进的可能性也越大，这种改进可能是以牺牲成品率为代价的。第9页/共101页第十页，共101页。设计规则(guz)分类第10页/共101页第十一页，共101页。设计规则(guz)分类拓扑设计(shj)规则（绝对值）最小宽度最小间距最短露头离周边最短距离设计规则（相对值）最小宽度w=m最小间距s=n最短露头t=l离周边最短距离d=h 由IC制造厂提供，与具体的工艺类型有关，m、n、l、h为比例因子，与图形类形有关第11页/共101页第十二页，共101页。宽度(kund)规则（width rule）（1）宽度指封闭几何图

6、形(jh t xng)的内边之间的距离最小宽度最大宽度第12页/共101页第十三页，共101页。间距(jin j)规则（Separation rule）（1）间距指各几何图形(jh t xng)外边界之间的距离同一工艺层的间距(spacing)不同工艺层的间距(separation)第13页/共101页第十四页，共101页。交叠(jio di)规则（Overlap rule）（1）交叠有两种形式：（1）一几何图形(jh t xng)内边界到另一图形的内边界长度（intersect）（2）一几何图形(jh t xng)外边界到另一图形的内边界长度（enclosure）intersectenclo

7、sureAB第14页/共101页第十五页，共101页。第15页/共101页第十六页，共101页。第16页/共101页第十七页，共101页。第17页/共101页第十八页，共101页。第18页/共101页第十九页，共101页。第19页/共101页第二十页，共101页。第20页/共101页第二十一页，共101页。第21页/共101页第二十二页，共101页。第22页/共101页第二十三页，共101页。掩膜版图(bnt)设计流程 第23页/共101页第二十四页，共101页。CMOS反相器版图(bnt)设计 首先，我们要根据设计规则生成每个晶体管。 假设我们要设计一个具有最小晶体管尺寸的反相器。 扩散区接

8、触孔的最小尺寸（能满足源极与漏极互连）、扩散区接触孔到有源区两边的最小间隔决定了有源区的宽度。 有源区上多晶硅层（晶体管的栅极）的宽度通常取最小宽度。 第24页/共101页第二十五页，共101页。CMOS反相器版图(bnt)设计确定(qudng)晶体管最小尺寸的设计规则 第25页/共101页第二十六页，共101页。CMOS反相器版图(bnt)设计第26页/共101页第二十七页，共101页。CMOS反相器中决定nMOS和pMOS管的间距的设计(shj)规则 第27页/共101页第二十八页，共101页。CMOS反相器版图(bnt)设计第28页/共101页第二十九页，共101页。CMOS反相器的最终

9、(zu zhn)掩膜版图 第29页/共101页第三十页，共101页。下图所示为两个简单的CMOS反相器电路(dinl)的版图。 注意，图中pMOS晶体管的沟道宽度比nMOS的要大，这是典型的对称反相器结构。其中设定(sh dn)kR接近1。第30页/共101页第三十一页，共101页。CMOS反相器版图(bnt)设计第31页/共101页第三十二页，共101页。最小宽度(kund)与最小间距（1）第32页/共101页第三十三页，共101页。最小宽度(kund)与最小间距（2）第33页/共101页第三十四页，共101页。距离(jl)周边最小距离(jl)第34页/共101页第三十五页，共101页。最短

10、露头(lu tu)第35页/共101页第三十六页，共101页。通孔与接触(jich)孔第36页/共101页第三十七页，共101页。层间互连约束(yush)Metal2不能直接(zhji)接有源区、多晶硅Metal1、Metal2、poly不能直接对准第37页/共101页第三十八页，共101页。工艺(gngy)误差工艺(gngy)误差显影：光衍射导致边缘模糊化刻蚀：横向刻蚀，使边缘加粗注入：横向注入导致n+/p+区沿水平方向有不期望的扩大刻蚀限制最小宽度第38页/共101页第三十九页，共101页。物理(wl)极限物理(wl)极限串扰：导线过细及间距过短，会使相邻导线发生电耦合电迁移：铝条过细及间

11、距过短，电迁移作用更明显横向注入限制了有源区间距第39页/共101页第四十页，共101页。常见工艺(gngy)误差第40页/共101页第四十一页，共101页。违背设计(shj)规则带来的误差（1）若两层掩膜未对准(du zhn)会产生问题，如金属塞图形与n+区未对准(du zhn)会导致n+有源区与p型衬底之间发生短路第41页/共101页第四十二页，共101页。违背设计(shj)规则带来的误差（2）符合(fh)设计规则符合设计规则不符合设计规则 源、漏短路不符合设计规则 源、漏变窄第42页/共101页第四十三页，共101页。违背设计(shj)规则带来的误差（3）符合(fh)设计规则不符合设计规

12、则有源区接触不良第43页/共101页第四十四页，共101页。违背设计规则(guz)带来的误差（4）接触(jich)孔下不得有多晶或有源区边缘第44页/共101页第四十五页，共101页。N阱第45页/共101页第四十六页，共101页。有源区有源区（Active）用于制作(zhzu)nFET和pFET被场氧（FOX）所隔开第46页/共101页第四十七页，共101页。掺杂(chn z)硅区:n+掺杂(chn z)硅区nSelect掺As或P,用于制作nFETpSelect掺B,用于制作pFET属于有源区的一部分第47页/共101页第四十八页，共101页。掺杂(chn z)硅区:p+第48页/共101

13、页第四十九页，共101页。多晶硅多晶硅（Poly Si）掩蔽(ynb)n+、p+掺杂作为MOS栅电容的上导电极板第49页/共101页第五十页，共101页。nFET的形成(xngchng)第50页/共101页第五十一页，共101页。pFET的形成(xngchng)第51页/共101页第五十二页，共101页。实际(shj)尺寸与设计尺寸的差别第52页/共101页第五十三页，共101页。版图尺寸(ch cun)最终尺寸(ch cun)n版图尺寸(ch cun)（设计值） 芯片的最终尺寸(ch cun)（有效值）n设计值L=多晶硅的线宽Wpn有效值Leff=L-LWpnFET沟道长度n设计值W=有源区

14、Wan有效值Weff=W-WWanFET沟道宽度n分析FET特性时n应用Leff、Weff、 Weff/ Leffn不要用L、W、W/L第53页/共101页第五十四页，共101页。有源区接触(jich)有源区接触(jich)（Active Contact）:硅与互连金属的接触(jich)第54页/共101页第五十五页，共101页。金属(jnsh)层：与有源区接触金属(jnsh)层1（Metal1）信号互连线电源线、地线Metal1至有源区接触的最小间距Metal1线的最小宽度第55页/共101页第五十六页，共101页。金属(jnsh)层：多接触孔第56页/共101页第五十七页，共101页。金属

15、(jnsh)层：与源/漏接触第57页/共101页第五十八页，共101页。金属(jnsh)层:与多晶接触第58页/共101页第五十九页，共101页。串联(chunlin)的nFET第59页/共101页第六十页，共101页。并联(bnglin)的nFET第60页/共101页第六十一页，共101页。通孔通孔（Via）:形成(xngchng)相邻两层金属之间的互联第61页/共101页第六十二页，共101页。CMOS版图(bnt)特点n每当有源区被nSelect包围时就形成n+n每当有源区被pSelect包围时就形成p+n每当多晶穿越n+区时就形成nFETn每当多晶穿越p+区时就形成pFETn若无接触孔

16、（有源区接触、多晶接触、通孔），n+、p+、多晶硅、各层金属即使相互交叉(jioch)，也不会形成电连接第62页/共101页第六十三页，共101页。示例(shl) : （1）版图(bnt)纵向结构P阱CMOS反相器版图第63页/共101页第六十四页，共101页。示例(shl) : （2）版图(bnt)纵向结构掩膜版CMOS反相器-p_well第64页/共101页第六十五页，共101页。示例(shl) : （3）CMOS反相器-Active第65页/共101页第六十六页，共101页。示例(shl) : （4）CMOS反相器-Poly第66页/共101页第六十七页，共101页。示例(shl) :

17、（5）CMOS反相器-pSelect第67页/共101页第六十八页，共101页。示例(shl) : （6）CMOS反相器-nSelect第68页/共101页第六十九页，共101页。示例(shl) : （7）CMOS反相器-Activecontact第69页/共101页第七十页，共101页。示例(shl) : （8）CMOS反相器-Metal第70页/共101页第七十一页，共101页。第71页/共101页第七十二页，共101页。基本(jbn)规则n图形和阵列尽量规则，避免采用多边形，以便得到最大的密度nn+、p+和栅能共享则共享n电源(dinyun)、地线一般采用水平方向的金属线，置于布局布线区

18、的上、下方第72页/共101页第七十三页，共101页。设计(shj)步骤版图设计步骤(bzhu)（举例）1）画VDD和Gnd水平线，分别置于顶和底2）画四个输入的多晶硅栅，等间距垂直3）画pFET的有源区条和nFET的有源区条4）画金属线，按规定的逻辑进行互连第73页/共101页第七十四页，共101页。版图(bnt)验证第74页/共101页第七十五页，共101页。棍棒图法(t f)：定义第75页/共101页第七十六页，共101页。棍棒图法(t f)：定义n用线来代表FET结构和互连线，用不同的颜色代表不同的工艺层n只表示晶体管的相对位置(wi zhi)及互连关系，无晶体管尺寸信息第76页/共1

19、01页第七十七页，共101页。棍棒图法：设计(shj)规则n红线与绿线交叉产生一个FETnFET在黄色边框内为pFET,在黄色边框外为nFETn红线在绿线之上n红色可以越过蓝色或灰色n蓝色可以越过红色、绿色或灰色n灰色可以越过红色、绿色或蓝色n蓝色连接绿色必须放置(fngzh)晶体管接触孔n蓝色连接红色必须放置(fngzh)多晶硅接触孔n蓝色连接灰色必须放置(fngzh)通孔第77页/共101页第七十八页，共101页。反相器：棍棒(gnbng)图水平(shupng)放置垂直放置第78页/共101页第七十九页，共101页。反相器：水平(shupng)放置水平(shupng)放置：W的扩大受限制第

20、79页/共101页第八十页，共101页。反相器：垂直(chuzh)放置垂直(chuzh)放置：W的扩大容易第80页/共101页第八十一页，共101页。反相器：对称(duchn)结构Wp=rWnpFET与nFET具有相同(xin tn)的电特性第81页/共101页第八十二页，共101页。反相器串联(chunlin)Wp=rWnpFET与nFET具有相同(xin tn)的电特性第82页/共101页第八十三页，共101页。非门串联(chunlin)两个(lin )非门串联共享电源、地、源、漏第83页/共101页第八十四页，共101页。非门相邻(xin ln)两个(lin )独立非门相邻共享电源、共享地第84页/共101页第八十五页，共101页。NAND2:棍棒(gnbng)图第85页/共101页第八十六页，共101页。NAND2:水平(shupng)与垂直垂直放置(fngzh)：WP易调整水平放置：WP不易调整第86页/共101页第八十七页，共101