集成电路版图设计

1、第5章 集成电路幅员设计2022/8/23集成电路幅员与PCB幅员区别前者包括布线和器件结构后者只有布线2022/8/232022/8/23Fig. MET5 & MVIA5 patternP-subNWELLPWELLN-PKTP-PKTP-N-N+STIP+PETEOSTiSi2SiNUSGPSGWTi/TiNWWMET1MVIA1MET2MET3MET4MVIA2MVIA3MVIA4IMD2IMD3IMD4IMD1SiNPSGMET5PadM5 SputterMET5 Align UV-CURINGMET5 etchHDP-SRO DepositionPE-TEOS deposition

2、2022/8/23 电路 集成电路幅员设计掩膜版制造光刻等制造工艺封装与测试2022/8/23光 刻 涂光刻胶 曝光 显影与后烘 腐蚀 腐蚀 2022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/235.1 引言幅员(Layout)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。设计规那么是如何向电路设计及幅员设计工程师精确说明工艺线的加工能力，就是设计规那么描述的内容。包括几何设计规那么、电学设计规那么、布线规那么。设计规那么是各集成电路制造厂家

3、根据本身的工艺特点和技术水平而制定的。因此不同的工艺，就有不同的设计规那么。掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此幅员上的几何图形尺寸与芯片上物理层的尺寸直接相关。2022/8/235.2 幅员几何设计规那么 幅员设计规那么：是指为了保证电路的功能和一定的成品率而提出的一组最小尺寸，如最小线宽、最小可开孔、线条之间的最小间距、最小套刻间距等。设计规那么反映了性能和成品率之间可能的最好的折衷。规那么越保守，能工作的电路就越多(即成品率越高)；然而，规那么越富有进取性，那么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。描述几何设计规那么的方法：微米规那么和规那么。2

4、022/8/23把设计过程抽象成假设干易于处理的概念性幅员层次，这些层次代表线路转换成硅芯片时所必需的掩模图形。层次与层次标记层次表示 含义 标示图 Nwell N阱层 Active N+或P+有源区层 Poly 多晶硅层 Contact 接触孔层 Metal 金属层 Pad 焊盘钝化层 2022/8/232022/8/23N阱设计规那么编号描 述尺寸(m )目的与作用1.1N阱最小宽度10.0保证光刻精度和器件尺寸1.2N阱最小间距10.0防止不同电位阱间干扰1.3N阱内N阱覆盖P+2.0保证N阱四周的场注N区环的尺寸1.4N阱到N阱外N+距离8.0减少闩锁效应2022/8/23P+、N+有

5、源区设计规那么编 号描 述尺寸目的与作用2.1P+、N+有源区宽度3.5保证器件尺寸，减少窄沟道效应2.2P+、N+有源区间距3.5减少寄生效应2022/8/23Poly层的设计规那么编号描 述尺 寸 目的与作用3.1多晶硅最小宽度3.0保证多晶硅线的必要电导3.2多晶硅间距2.0防止多晶硅联条3.3与有源区最小外间距1.0保证沟道区尺寸3.4多晶硅伸出有源区1.5保证栅长及源、漏区的截断3.5与有源区最小内间距3.0保证电流在整个栅宽范围内均匀流动2022/8/23Contact层的设计规那么编 号描 述尺 寸目的与作用4.1接触孔大小2.0 x2.0保证与铝布线的良好接触4.2接触孔间距2

6、.0保证良好接触4.3多晶硅覆盖孔1.0防止漏电和短路4.4有源区覆盖孔1.5防止PN结漏电和短路4.5有源区孔到栅距离1.5防止源、漏区与栅短路4.6多晶硅孔到有源区距离1.5防止源、漏区与栅短路4.7金属覆盖孔1.0保证接触，防止断条2022/8/23Metal层的设计规那么编 号描 述尺 寸目的与作用5.1金属宽度2.5保证铝线的良好电导5.2金属间距2.0防止铝条短路2022/8/23Pad层的设计规那么编 号描 述尺 寸目的与作用6.1最小焊盘大小90封装、邦定需要6.2最小焊盘边间距80防止信号之间串扰6.3最小金属覆盖焊盘6.0保证良好接触6.4焊盘外到有源区最小距离25.0提高

7、可靠性需要2022/8/23问题讨论阱的间距和间距的规那么MOS管的规那么接触 金属与有源区 金属与多晶硅 VDD和VSS衬底接触2022/8/235.3 电学设计规那么 电学设计规那么给出的是由具体的工艺参数抽象出的电学参数，是电路与系统设计模拟的依据。不同的工艺线和工艺流程，电学参数有所不同。描述内容：晶体管模型参数、各层薄层电阻、层与层间的电容等。几何设计规那么是图形编辑的依据，电学设计规那么是分析计算的依据。2022/8/235.4 布线规那么电源线和地线应尽可能用金属线走线；多采用梳状结构，防止交叉。禁止在一条金属走线的长信号线下平行走过另一条用多晶硅或扩散区走线的长信号线。压焊点离

8、芯片内部图形的距离不应少于20m。布线层选择，尽可能降低寄生效应。2022/8/23根本门电路幅员阅读层次图例逻辑图电路图幅员2022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/235.5 幅员设计及验证 幅员的构成 幅员由多种根本的几何图形所构成。常见的几何图形有：矩形rectangle、多边形polygon、等宽线(path和wire)、圆circle、弧arc等。 幅员布局布线 布局就是将组成集成电路的各局部合理地布置在芯片上。布

9、局是有层次的：器件级、根本单元级以及功能块级布线就是按电路图给出的连接关系，在幅员上布置元器件之间、各局部之间的连接。 单元和单元库的建立IC幅员设计：根本元器件幅员设计、布局和布线及验证5. 幅员设计2022/8/23单元和单元库的建立 在幅员设计阶段，无论是全定制还是半定制幅员设计一定都会用到单元或单元库。 所谓全定制设计方法就是利用人机交互图形系统，由幅员设计人员从每个半导体器件的图形、尺寸开始设计，直至整个幅员的布局布线。而在标准单元设计方法中，根本的电路单元(如非门、与非门、或非门、全加器、D触发器)的幅员是预先设计好的，放在CAD工具的幅员库中。这局部幅员不必由设计者自行设计，所以

10、叫半定制。所以在半定制设计中常用到标准单元法，标准单元是一种图形高度相等，但宽度可按设计需要自由给定的结构。在规定高度、可变宽度范围内，设计者可设计多种尺寸、多种功能的元器件。2022/8/23单元和单元库的建立单元库里四种符号：符号symbol view抽象图abstract view线路图schematic view幅员layout view2022/8/23单元和单元库的建立工艺文件Technology File：各层的颜色、线型、显示等单层和双层性质视图 view及其性质物理设计规那么2022/8/235.5.2 幅员设计中提高可靠性的措施 考虑电性能和热性能一、提高金属化层布线的可靠

11、性 1大量的失效分析说明，因金属化层目前一般是A1层通过针孔和衬底短路，且A1膜布线开路造成的失效不可无视，所以必须在设计布线时采取预防措施。例如尽量减少A1条覆盖面积，采用最短A1条，并尽量将A1条布在厚氧化层厚氧化层寄生电容也小上以减少针孔短路的可能。2022/8/232 防止A1条开路的主要方法是尽少通过氧化层台阶。如果必须跨过台阶，那么采取减少台阶高度和坡度的方法。例如对于厚氧化层上的引线孔做尺寸大小不同的两次光刻先刻大孔，再刻小孔，以减小台阶坡度，如下图。2022/8/233 为防止A1条电流密度过大造成的电迁移失效，要求设计时通过A1条的电流密度J2105A/cm2即2mA/m2，

12、A1条要有一定的宽度和厚度。4 对多层金属布线，幅员设计中布线层数及层与层之间通道应尽可能少。2022/8/23二、 幅员设计应考虑热分布问题 尽量降低芯片温度以降低失效率 在整个芯片上发热元件的布局分布要均匀，不使热量过分集中在一角。在元件的布局上，还应将容易受温度影响的元件远离发热元件布置。在必须匹配的电路中，可把对应的元件并排配置或轴对称配置，以防止光刻错位和扩散不匀。要注意电源线和地线的位置，这些布线不能太长。 2022/8/23三、加强工艺监控 专门设计一组微电子测试图形监控工艺参数。 四、其他措施 1、元件尺寸的选择要适当 2、保证电路参数的要求 3、CMOS电路抗闩锁措施2022

13、/8/23命令文件格式：Dracula、Diva等验证工作：DRC Design Rule CheckerNE Net List ExtractorERC Electrical Rule CheckerSLOGNET CDL/SPICE File Translator LVS Layout versus Schematic5.5.3 幅员验证2022/8/23验证流程Cdl/spice网表slognet逻辑网表lvs版图数据命令文件ldc版图网表NGRLvs报错文件ldx LEdrc，erc报错文件图形结果5.5.3 幅员验证 2022/8/23Command FileThree Blocks

14、 : Description Block Input Layer Block Operation Block2022/8/23Description Block*DESCRIPTIONPRIMARY =TOP123 SYSTEM =GDS2SCALE =.001MICRESOLUTION=.25MIC*END2022/8/23Input Layer Block*INPUT-LAYER NPLUS = 1 PPLUS= 2 METAL= 3 POLY= 4 CONTACT= 6 TEXT= 10 ATACHMETAL SUBSTRATE= BULK 63 CONNECT-LAYER= NSD P

15、SD POLY METAL*END2022/8/23LOGICAL OPERATIONOR Command OR layer1layer2 layer3 outputcnamelnumAND Command AND layer1layer2 layer3 outputcnamelnumNOT Command NOT layer1layer2 layer3 outputcnamelnumXOR Command XOR layer1layer2 layer3 outputcnamelnum2022/8/23几何设计规那么的验证DRC DRC验证命令格式：出错条件出错输出 出错条件：EXT lay1

16、 LT n ENC lay1 lay2 LT n INT lay1 lay2 LT n WIDTH lay1 LT n 出错输出语句，可以在其中列出出错单元的名称(Cell Name)及层次(layName)，并写成：OUTPUT CellName layName。2022/8/23例: 1EXTT POLYCON DIFF LT 0.7 OUTPUT E105 44 这一句意味着当多晶硅与扩散区包含时，在沿宽度方向的边缘内外间距小于m时出错，其中T更强调了在间距等于0时也出错。“出错输出在指定44层上给出单元E105一个错误标志。 2WIDTH CON LT 0.6 OUTPUT E53A

17、44 这一句意味着接触孔宽度m小于出错，“出错输出在指定44层上给出单元E53A一个错误标志。 2022/8/23幅员的电学验证ERC 电学错误，如电源、地、某些输入或输出端的连接错误。这就需要用ERC检验步骤来加以防范。 为了进行ERC的验证，首先应在幅员中将各有关电学节点做出定义。如将电源、接地点、输入端、输出端分别给出“节点名。 2022/8/23ERC检查的主要错误有如下几种： 节点开路； 短路；接触孔浮孔； 特定区域未接触； 不合理的元器件节点数或扇出数。 2022/8/23幅员参数提取LPE 对已设计的幅员提取各种器件、它们的连接关系以及各种寄生电容和电阻，这实质上是自动地建立一种模型。提取各参数后，可以进行如下工作：(1)作为电特性检验的根底，利用这些参数将幅员复原成电路图，并与原始电路图比较，以便更严格地查找错误。(2)将提取出的器件及连接关系和寄生参量等作为电路模拟的输入数据，再次进行电路模拟，以估计寄生参量对电路