集成电路版图设计项目教程 课件 1版图认知

《集成电路版图设计项目教程》2024/1/15项目1集成电路版图认知集成电路版图设计平台介绍一EDA软件二集成电路版图设计基础三CMOS工艺与版图设计图层四2024/1/15项目1集成电路版图认知2024/1/15世界上有三大操作系统，Windows、Linux和Unix。Unix诞生于20世纪60年代末，Windows诞生于20世纪80年代中期，Linux诞生于20世纪90年代初，可以说Unix是操作系统中最早的，后来的Windows和Linux大都参考了Unix。目前流行的安卓系统是基于Linux的，苹果系统是基于Unix的。在主流的操作系统中，现在很多的服务器运行着Linux操作系统。但是Linux系统又被称为“类Unix系统”，所以，先讲讲Unix操作系统。任务1.1集成电路版图设计平台介绍1.Unix的起源Unix是历史最悠久的通用操作系统。1969年，美国贝尔实验室的肯·汤普森（KenThompson）和丹尼斯·里奇（DennisRitchie），在规模较小及较简单的分时操作系统的基础上用汇编语言开发出Unix，1970年正式投入运行。2.常见Unix系统目前，常见的Unix系统有SunSolaris、FreeBSD、IBMAIX、HP-UX等。3.Linux介绍Linux是一种主要适用于个人计算机的类似于Unix风格的操作系统。它的独特之处在于不受任何商品化软件的版权制约，全世界都能免费、自由使用。2024/1/15（1）Linux的起源Linux起源于一个学生的业余爱好，芬兰赫尔辛基大学的林纳斯·托瓦兹（LinusTorvalds）的创始人与主要维护者。Linus上大学时开始学习Unix，Linus对Unix不是很满意，于是决定自己编写一个操作系统。以Unix为原型，大约在1991年8月下旬，完成了。受工作成绩的鼓舞，林纳斯将这项成果通过互联网与其他同学共享，完善了Linux系统。Linux正式凭着这样的挑战性和自由精神，终于成为风靡全世界的操作系统。项目1集成电路版图认知任务1.1集成电路版图设计平台介绍（2）Linux的优点作为一种全新的操作系统，Linux具有其他操作系统所无法替代的优点。1.是多任务的操作系统。2.是一个多用户操作系统。这样做的一大优势在于，Linux可以作为应用程序服务器。3.和现今Unix系统几乎完全兼容。4.漂亮的X视窗（Window）系统，这是Linux独特的部分。5.支持众多的应用软件。因为不仅有许多人为Linux免费开发软件，而且越来越多的商业软件也纷纷移植到Linux上来。项目1集成电路版图认知2024/1/15任务1.1集成电路版图设计平台介绍常用Linux介绍。Linux操作系统被称为领先的操作系统之一，它被普遍和广泛使用着。全球大约有很多款的Linux系统版本，每个系统版本都有自己的特性和目标人群。现在流行的主要有：红帽企业系统（RedHatEnterpriseLinux，RHEL）、社区企业操作系统（CentOS）、红帽用户桌面版（Fedora）、国际化组织的开源操作系统（Debian）、基于Debian的桌面版（Ubuntu）等Linux系统。1.RedHatEnterpriseLinux简介RedHatLinux俗称红帽子，是目前最流行的Linux发行版本。RedHatEnterpriseLinux是企业级Linux解决方案系列的旗舰产品。集成电路设计软件大部分的服务器系统主要基于RedHatEnterpriseLinux操作系统。2.红帽用户桌面版（Fedora）简介Fedora是最好的Linux服务器发行版之一，其中包含了商业Linux发行版开发的实验性技术。3.Debian简介Debian前被称为Linux发行版之王，也是目前最流行的Linux服务器发行版。它是RedHatEnterpriseLinux的衍生产品，提供了稳定的服务器环境。4.Ubuntu简介Ubuntu是一款基于Debian派生的产品，对新款硬件具有极强的兼容能力。普遍认为Ubuntu与Fedora都是极其出色的Linux桌面系统。2024/1/15虚拟机VMWARE安装Linux系统目前，Ubuntu的最新桌面版是Ubuntu20.10，安装需要计算机的配置很高，而且系统也很大。现在一般新电脑都是64位的，还有很多电脑是32位的。64位的一般向下兼容32位的软件。鉴于这个原因，安装Ubuntu低版本32位的系统ubuntu-9.10-desktop-i386。这个版本的Linux系统的安装包小，不到700M，开关机只需要几秒钟，速度很快，占用内存小。软件下载可以访问百度网盘，链接：/s/18JqhQtvGDPlrL2F0IR6bZw。提取码：f94n。Ubuntu一般在Windows系统里先安装虚拟机VMware，再在VMware里安装Ubuntu系统。虚拟机版本号是VMware15，软件下载可以访问百度网盘，链接：/s/19CpSKbhYDRDAq0eLn1olsg，提取码：v0fd。Ubuntu安装好以后，就可以在Ubuntu里安装集成电路设计软件了，本书版图设计软件使用的是Cadence的IC610和Mentor的Calibre2008这两个版本。这两个版本足可以满足学习所用，而且这两个设计软件加上Ubuntu系统容量也就10G左右，占用硬盘空间比较小。如果安装最新高版本的系统和软件，需要50G左右，对计算机的配置要求也高。IC610和Calibre2008安装包和安装说明，可以访问百度网盘下载，链接：/s/1Uj_elki8-QnZ_OMVUY6VKQ，提取码：ry50。项目1集成电路版图认知任务1.1集成电路版图设计平台介绍2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.1集成电路版图设计平台介绍Linux常用指令如果要学习好集成电路版图设计，必须要熟悉设计软件和Linux系统。设计软件的学习，后续会详细说明。先学习UbuntuLinux系统指令。Ubuntu系统具有X-Window视图窗口和字符终端窗口，X-Window视图窗口操作方法和Windows类似，这里就不再说明。在Ubuntu系统下包含了很多日常用到的命令(大约有2000多条）。下面对Ubuntu系统中经常会遇到的一些命令做简单介绍，具体的步骤也可以参见各个命令对应的联机帮助手册。1.使用pwd来判定当前目录2.使用cd命令来改变所在目录3.要改换到根登录和根目录，su命令4.使用ls来查看目录步骤5.定位文件和目录命令locate6.清除终端命令clear7.创建文件touch和目录命令mkdir8.复制文件cp9.移动文件mv10.删除文件和目录rm11.历史命令和Tab自动补全12.Linux文件权限chmod13.归档、压缩命令tar2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.1集成电路版图设计平台介绍Vi编辑器的使用Vi/Vim(Visualedit)是Linux系统中重要的文本编辑工具，也是最常用的一种工具，因此，熟悉vi是学习使用Linux系统的一个重要环节。vi是一个简单的应用程序。它在shell提示内打开，并允许用户查看、搜索和修改文本文件。基本上vi分为三种模式，分别是“普通模式”，“编辑（插入）模式”和“指令列（末行）命令模式”三种。这三种模式的作用是：（1）普通模式：当vi处理一个文件的时候，一进入该文件就是普通模式了。在这个文件中可以使用“上下左右”按键来移动光标，也可以使用“删除字符”或“删除整行”来处理文件步骤，还可以使用“复制，粘贴”来处理你的文件数据。（2）编辑模式：在普通模式中可以处理删除，复制，粘贴等等的动作，但是却无法编辑的。要等到你按下“i,I,o,O,a,A,r,R”等字母之后才能进入编辑模式。如果要回到普通模式时，则必须要按下“ESC”这个按键即可退出编辑模式。（3）指令列命令模式：在普通模式中，输入“:或/或？”就可以将光标移动到最底下那一行，在这个模式当中，可以提供你“搜索资料”的功能，而读取，存盘，大量取代字符，离开vi，显示行号等等的动作都是在此模式中完成的。ThankYou!2024/1/15李亮《集成电路版图设计项目教程》2024/1/15项目1集成电路版图认知集成电路版图设计平台介绍一EDA软件二集成电路版图设计基础三CMOS工艺与版图设计图层四2024/1/152024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.2EDA软件EDA是集成电路（IC）设计必需、也是最重要的软件设计工具，现代EDA工具几乎涵盖了IC设计的方方面面，具有的功能十分全面，可以粗略的划分为前端技术、后端技术和验证技术，各个技术之间有所重合。国内从事EDA研究的公司有华大九天、芯禾科技、广立微、博达微、芯愿景、圣景微、芯联成等。目前全球IC设计EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的MentorGraphics垄断。主流EDA基本发展状况。1）Synopsys成立于1986年，在2008年成为全球排名第一的EDA软件工具领导厂商，为全球电子市场提供技术先进的集成电路设计与验证平台。2）Cadence成立于1988年，是EDA行业销售排名第二的公司。Cadence产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计、功能验证、集成电路综合及布局布线、IC物理验证、模拟混合信号及射频集成电路设计、全定制集成电路设计等。3）MentorGraphics成立于1981年，是一家EDA软件和硬件公司。Mentor的工具虽没有前两家全面，没有涵盖整个芯片设计和生产环节，但在有些领域，如集成电路版图验证Calibre工具等方面有相对独到之处。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.2EDA软件1.Cadence设计工具介绍集成电路的蓬勃发展有赖于EDA工具。其中大部分设计使用的是Cadence系列工具。Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面却有着绝对的优势。设计者常用的工具有:电路图设计工具Composer,电路模拟工具AnalogArtist,版图设计工具VirtuosoLayoutEditor,版图验证工具Diva、Assura、Dracula。2.CadenceVirtuoso设计平台Virtuoso的模拟电路设计平台是一个全定制设计平台的模拟电路设计与仿真环境。包括：原理图编辑器是全定制设计平台的设计合成环境；版图编辑器是业界标准的基本全定制物理版图设计工具；设计规则检查器(DRC)；版图原理图(LVS)验证器；寄生参数提取(RCX)等。3.VirtuosoLayoutSuite设计平台LayoutSuite设计平台包含L（高级全定制多边形编辑）、XL（更灵活的原理图驱动和约束驱动式辅助全定制版图）、GXL（自动化全定制版图）三种工具。本书的版图设计就是基于VirtuosoLayout的基础L设计平台。4.CALIBRE验证工具目前，业界常用的版图验证工具是CadenceDracula和MentorCalibre。其中Calibre工具已经被众多设计公司使用。Calibre验证工具，已作为CadenceVirtuoso的插件，Virtuoso用户能够直接调用Calibre进行版图验证工作。本书的版图验证就是基于Calibre。ThankYou!2024/1/15李亮《集成电路版图设计项目教程》2024/1/15项目1集成电路版图认知集成电路版图设计平台介绍一EDA软件二集成电路版图设计基础三CMOS工艺与版图设计图层四2024/1/152024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.3集成电路版图设计基础版图设计类型分为：标准版图设计、半定制版图设计、和全定制版图设计。1.集成电路中的标准版图设计主要数字标准单元。包括：组合逻辑单元和时序逻辑单元。2.集成电路中的半定制版图设计在半定制版图设计中，如具有6个晶体管的SRAM或者仅有1个晶体管1个电容的DRAM，它们的标准小单元高度和宽度尺寸设置与标准逻辑单元无关，需要单独设计。还有一类特殊的半定制版图称为客户自有技术，在专用集成电路（ASIC）中经常采用。闪存（flashmemory）的基本单元（NAND和NOR单元）与上述SRAM和DRAM的基本单元类似，也是采用半定制版图设计。3.集成电路中的全定制版图设计在模拟和混合信号芯片设计中，包括常见的模拟前端控制器、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器(OPAMP)和比较器(Comparator)等。更多地采用了全定制版图设计方法。熟练地掌握了标准单元版图设计和半定制版图设计之后，对于全定制版图设计方能驾轻就熟，运用自如。2024/1/15项目1集成电路版图认知版图设计流程版图设计的一般流程可以表述为：首先对版图进行规划，把整个电路划分成若干个单元，然后，确定各个模块在芯片中的具体位置，完成各个单元版图及单元之间的互连设计，最后对版图进行验证。版图规划准备好进行版图设计的电路图或者网表，整理出一份版图设计前的清单，设计版图，可以参考一些相同类型或相同工艺的设计。右图所为一个版图规划步骤。任务1.3集成电路版图设计基础2024/1/15版图验证集成电路版图常规验证的项目包括下列4项：(1)DRC(DesignRuleCheck)设计规则检查设计规则是集成电路版图各种几何图形尺寸的规范，不同的集成电路工艺都具有与之对应的设计规则。由于这个验证项目的重要性，DRC为版图验证的必做项目。(2)ERC(ElectricalRuleCheck)电学规则检查ERC检查版图是否有基本的电气错误。(3)LVS(LayoutVersusSchematic)版图和电路图一致性检查LVS是把设计好的版图和电路图进行对照和比较，要求两者达到完全一致。如果有不符之处将以报告形式输出。LVS通常在DRC检查无误后进行，它是版图验证的另一个必查项目。(4)LPE(LayoutParasiticExtraction)版图寄生参数提取LPE是根据集成电路版图来计算和提取节点的固定电容电阻、二极管的面积和周长、MOS管的栅极尺寸、双极型器件的尺寸等，还可以提取寄生电阻和寄生电容参数，以便进行精确的电路仿真。在上述项目中，DRC和LVS是必须要做的验证，LPE用来版图后仿真。而ERC一般在做DRC时同时完成，并不需要单独进行。项目1集成电路版图认知任务1.3集成电路版图设计基础2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.3集成电路版图设计基础设计流程及工具在主流EDA工具上，按设计流程逐步完成版图设计、仿真。版图设计简易流程，设计所需工具如下表所示。流程功能工具1)电路图绘制，前仿真电路设计VirtuosoSchematicEditorIC5141&610-6182)版图绘制版图设计CadenceVirtuosoEditorIC5141&610-6183)版图设计规则验证DRC验证MentorCalibrelnteractiveDRCV2008-2019LVS验证MentorCalibreInteractiveLVSV2008-20194)后仿真版图寄生参数提取MentorCalibreInteractivePEXV2008-2019ThankYou!2024/1/15李亮《集成电路版图设计项目教程》2024/1/15项目1集成电路版图认知集成电路版图设计平台介绍一EDA软件二集成电路版图设计基础三CMOS工艺与版图设计图层四2024/1/152024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点。CMOS工艺已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术，绝大部分集成电路都是用CMOS工艺制造的。CMOS制造工艺要求在同一块芯片衬底上形成NMOS和PMOS晶体管。NMOS晶体管是做在P型硅衬底（P-Substrate，P-Sub）上的，而PMOS晶体管是做在N型硅衬底上的。要将两种晶体管都做在同一个硅衬底上，就需要在硅衬底上制作一块反型区域，该区域被称为“阱”。根据阱的不同，CMOS工艺分为P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺以及双阱CMOS工艺。P型阱制作在N型衬底上；而N型阱制作在P型衬底上。在双阱CMOS技术中，为了优化器件，可以生成与衬底类型相同的阱。其中N阱CMOS工艺由于工艺简单、电路性能较P阱CMOS工艺更优，从而获得广泛的应用。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层制造工艺的简化步骤首先在硅衬底中掺杂生成N阱区域；然后，在NMOS和PMOS有源区的四周逐渐形成场氧化层；随后，形成栅极氧化层并制作栅极；再通过掺杂形成源、漏区；继续制作接触孔、通孔和金属布线层；最后完成钝化、引线键合、封装、测试。一个简单的芯片制造流程完成了。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层光刻光刻就是将每一层掩膜上的图形转移到芯片上的各个特定层。对每一层都要使用不同的掩膜版进行光刻。步骤是在整个氧化层表面覆盖一层感光的光刻胶，经光刻掩膜版后用紫外线曝光，被曝光区域变成可溶解的，被刻蚀掉，留下成型的图案。光刻时存在正胶光刻和负胶光刻。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层N阱CMOS工艺简化的N阱CMOS工艺使用8块掩模版的流程（高级一些的工艺用12块掩模版或更多）。1）N阱掩膜版。在P型硅掺杂（如三价硼和铝）衬底上制作N阱，在二氧化硅层上通过光刻，刻蚀出N阱窗口，进行N阱掺杂（如5价的磷或砷），然后再重新生长薄氧化层。2）薄氧化区版（即有源区版）。确定PMOS晶体管、NMOS晶体管的有源区（即源、漏、栅区），然后完成场氧化层的生长，以及重新生长高质量的薄氧化层（即栅氧化层）。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层N阱CMOS工艺3）光刻多晶硅掩膜版。制作多晶硅栅，以及用作连线和电阻的多晶硅。首先在新生长的栅氧化层上淀积多晶硅，然后刻蚀出所需的多晶硅。4）P型重掺杂区（P+）掩膜版。制作PMOS晶体管的源、漏、栅以及NMOS晶体管的衬底欧姆接触。说明一下：多晶硅栅本身作为源、漏掺杂离子的掩膜，离子被多晶硅栅阻挡，不会进入栅下的硅表面，这称为硅栅自对准工艺。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层N阱CMOS工艺5）N型重掺杂区（N+）掩膜版。N+区掩膜是P+区的负版，即硅片上所有非P+区均进行N+离子的掺杂。有源区域是薄氧化层，利用硅栅自对准工艺完成NMOS晶体管的源、漏、栅以及PMOS晶体管的衬底欧姆接触，然后生长氧化层。6）接触孔掩膜版。刻出PMOS晶体管、NMOS晶体管的源、漏、栅，以及衬底接触的引线孔，然后淀积一层金属膜。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层N阱CMOS工艺7）金属掩膜版。在金属膜上刻出所需的元器件电极引线和金属互连。8）钝化层光刻掩膜版。先淀积一层钝化膜（如氮化硅或磷硅玻璃等），避免杂质侵入或损伤；然后刻出芯片的压焊区（PAD，用来和外部进行连接）以及芯片内部引出的测试点（用于测试）。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层版图绘图层根据N阱CMOS的制造工艺，可以确定对应工艺下版图设计中的绘图层。绘图层是指完成集成电路版图设计所需要的分层数目。以N阱CMOS工艺为例，通常情况下，关键绘图层（Area）的种类有：N阱层(N-Well)；有源区层(Active)；多晶硅栅层(Poly)；P型掺杂层(P-Select)；N型掺杂层(N-Select)；接触孔层(Contact)；通孔层(Via)；金属层(Metal)；文字标注层(Text)和焊盘层(Pad)等。2024/1/151.N阱层N阱用来确定N型衬底的区域。PMOS晶体管是作在N阱中的，N阱一般连接到电源VDD上。图示是N阱的截面图和版图。项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层2.有源区层有源区是导电区域，对应场区（场氧区）是绝缘区即非导电区域。晶体管的源区和漏区都属于有源区，源区和漏区分别在多晶硅栅两旁的有源区上。有源区旁的场氧区起隔离的作用。图示是有源区的截面图和版图。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层3.N型掺杂区层和P型掺杂区层将N型离子或P型离子注入到N型掺杂区（形成PMOS晶体管）或P型掺杂（形成NMOS晶体管）中形成MOS晶体管。N型掺杂区或P型掺杂区（N+或P+）结合对应有源区共同形成了扩散区（diffusion）或离子注入（implant）区。N+区域是通过将砷或磷离子注入到硅片上有源区得到的。P+区域的形成是通过将硼离子注入到硅片上有源区得到的。N+区域的截面图和版图如图示。2024/1/15项目1集成电路版图认知任务1.4CMOS工艺与版图设计图层4.多晶硅栅层集成电路中的栅极通常用多晶硅来进行淀积。多晶硅除了可以用来淀积栅极之外，还可以用来生成电阻。另外，多晶硅栅层和金属层一样也可用于互连。5.金属层金属层在集成电路芯片中起互连的作用。通常情