CMOS集成电路的版图设计.ppt

1、第5章 CMOS集成电路的版图设计,主要内容 5.1 MOS 场效应管的版图实现 5.2 版图设计规则 5.3 版图系统的设置 5.4 版图的建立 5.5 版图的编辑 5.6 棍棒图 5.7 版图设计方法概述,集成电路的设计与制作 集成电路(Integrated Circuit，简称IC)就是将有源元件(二极管、晶体管等)和无源元件(电阻、电容等)以及它们的连线一起制作在半导体衬底上形成一个独立的整体。 集成电路的各个引出端就是该电路的输入, 输出, 电源和地。,集成电路的设计与制作,集成电路设计仿真,版图设计,制版,流水加工,掩模版,划片,封装,裸片die,硅圆片,封装后的芯片,集成电路的设

2、计流程,集成电路的设计与制作,制版，加工,1. 集成电路的制作是平面加工工艺，而芯片是立体结构。 2. 平面工艺到立体结构的实现，需要多层掩模版。每一层掩模版需要用一层版图来表示，因此版图也是分层的，即不同层的版图代表不同的掩模版。 3. 版图是用二维图形表示电路的三维结构。版图设计的目的是完成集成电路加工所需的各个掩模版上的图形的设计。,例子,例子,例子,5.1 MOS 场效应管的版图实现 5.1.1 单个MOS管的版图实现 1. MOS管的结构和布局,G,D,S,B,W/L很大,W/L很小,2. 直线形排列的NMOS管,结构图,立体结构和俯视图,3. 源区、沟道区和漏区合称为MOS管的有源

3、区(Active），而有源区之外的区域定义为场区（Fox)。有源区和场区之和就是整个芯片表面。 Fox + Active = Surface,芯片表面包含有源区和场区两部分,4. N阱CMOS集成电路使用P型衬底，NMOS管直接制作在P型衬底上，PMOS管做在N阱内。,接触孔的尺寸与数量,接触孔的尺寸：如果需要大面积接触，应使用很多小的接触窗口，避免金属与有源区大面积连接时发生的接触穿刺。版图设计软件中通常接触孔的尺寸不能更改。 接触孔的数量：尽量大于等于两个，避免金属填充产生缺陷导致接触不良。,5. 完整的MOS管版图必须包含两个部分：a）由源、栅和漏组成的器件；b）衬底连接或阱连接。,(a

4、)PMOS管,(b)NMOS管,完整的MOS管版图图形,WPWN,5.1.2 MOS管阵列的版图实现 1.MOS管串联 (1) 两个MOS管的串联,版图,N1的源、漏区为X和Y，N0的源、漏区为Y和Z。Y是它们的公共区域，如果把公共区域合并，得到两个MOS管串联连接的版图。 从电流的方向可以决定，当MOS管串联时，它们的电极按S-(D-S)-(D-S)-D方式连接。,电路图,5.1.2 MOS管阵列的版图实现,(2) 任意个MOS管串联，例如3个MOS管串联的版图,(a)电路图,(b) 版图,2.MOS管并联 并联是指MOS管的源和源连接，漏和漏连接，各自的栅还是独立的。 (1)栅极水平放置，

5、节点X和Y可用金属连线连接(图b)；也可用有源区连接(图c）。,5.1.2 MOS管阵列的版图实现,(a)电路图,(b)用金属连接节点,(c) 用有源区连接节点,传输门？,Danger!,5.1.2 MOS管阵列的版图实现 (2)栅极竖直方向排列，节点连接既可用金属导线(图b)，也可用有源区进行连接(图c）。,(a)电路图,(b)用金属连接节点,(c) 用有源区连接节点,(3)三个或三个以上MOS管并联。 全部用金属进行源的连接和漏的连接(图a），称为叉指形结构; 分别用金属和有源区进行源和漏的并联连接; 金属连接和有源区连接联合使用(图b）。,(a)源和漏的并联都用金属连接（叉指型）,(b)

6、分别用有源区和金属进行并联连接,3. MOS管的复联 复联是MOS管先串后并和先并后串的连接。,(a) 电路图,(b) 版图,5.1.2 MOS管阵列的版图实现,5.2 版图设计规则 根据工艺水平和经验积累，总结制定出的作为版图设计时必须遵循的一整套数据规则称为版图设计规则。 在正常的生产条件下，即使出现光刻套准偏差、过腐蚀、硅片变形等工艺偏差情况，设计规则仍然可以保证电路芯片的正常加工制作以及正常工作。 设计规则是由几何限制条件和电学限制条件共同确定的版图设计的几何规定，这些规定是以掩膜版各层几何图形的宽度、间距及重叠量等最小容许值的形式出现的。 版图设计规则一般都包含以下四种规则：(1)

7、最小宽度；(2) 最小间距； (3) 最小包围；(4) 最小延伸。,5.2 版图设计规则 (1) 最小宽度 金属、多晶、有源区或阱的尺寸都必须大于或等于设计规则中的最小宽度。该值由光刻和工艺水平决定。,0.5um工艺,5.2 版图设计规则 (2) 最小间距 在同一层掩模（版图）上，图形之间的间隔必须大于或等于设计规则中的最小间距。,5.2 版图设计规则 (3) 最小包围 例如，N阱、N+离子注入和P+离子注入包围有源区应该有足够的余量，以确保即使出现光刻套准偏差时，器件有源区始终在N阱、N+离子和P+离子注入区范围内 。 为了保证接触孔位于多晶硅或有源区内，应使多晶硅或有源区和金属对接触孔四周

8、要保持一定的覆盖。,(4)最小延伸 某些图形重叠于其他图形之上 时，不能仅仅到达边缘为止，还应该衍生到边缘之外的一个最小长度。 例如，多晶栅极必须延伸到有源区外一定长度。,(4)最小延伸,CMOS集成电路结构的立体层次顺序,衬底,多晶硅1,多晶硅2,金属1,金属2,氧化层,氧化层,氧化层,氧化层,5.3 版图系统的设置 5.3.1建立版图库 1. 建立新库步骤 (1) 从CIW进入库管理器，选命令ToolsLibrary Manager。,进入库管理器,5.3 版图系统的设置 5.3.1建立版图库,(2) 在库管理器中选命令FileNewLibrary，出现新库对话框。,选建立新库命令,(3)

9、 在Name 文本区输入新库名(例如mylib)。点击OK按钮，出现新库技术文件对话框，新库mylib的技术文件有三种选项。,对新库的技术文件有三个选项,(4) 方法1：选“compile a new techfile”，点击OK按钮，出现Load Technology File对话框。在框中ASCII Technology File的文本区输入技术文件名(如csmc.tf)，按OK按钮结束，出现对话框报告加载技术文件成功，新库已建立。,在ASCII Technology File区输入技术文件名,报告技术文件加载成功,(5) 方法2：选“Attach to an existing techf

10、ile”，出现Attach Design Library to Technology File对话框。在Technology Library文本区下拉菜单中选择技术库，例如csmc15tech，按OK按钮即完成建库。 若新库名为abcd,建库完成后在CIW中显示：Design Libraryabcdsuccessfully attached to technology Library csms15tech，新库abcd已成功建立。,从库管理器建立新库的另一种方法,(6) 建立新文件:在库管理器,选命令FileNewCell view。在Create New File框内输入库名和单元名(inv

11、)后，先将tool选为virtuoso，在View Name的文本区会自动生成Layout，点击Ok按钮，将同时出现版图编辑窗（virtuoso Layout Editing）和层选择窗（LSW：Layer Select window）。,建立新文件,同时出现版图编辑窗和层选择窗(LSW),5.3.2 层选择窗(LSW)的设置 1. 对LSW的说明,层选择窗 (LSW ),Current drawing or entry layer,Edit menu,Technology file,Inst button,Pin button,AV and NV buttons,AS and NS butt

12、ons,Scroll bar,Layers,1) 层符号分三部分， 左表示层的颜色及图案； 中为层名； 右表示层的用途。,层的颜色及图案,层名,层的用途,2) AV和NV按钮 AV设置各层都可视（图a)； 除输入层外，NV设置其余各层不可视(层符号变灰)（图b）； 击鼠标中键使各层在可视和不可视间转换（图c）； 层原为可视，点击中键变为不可视，再点击又恢复可视（图d)； 鼠标左键点击原不可视的层就变为可视，且成为输入层（图e）。,(a),(e),(d),(c),(b),2. 对LSW的设置 (1) 设置层符号。 在LSW中，选择EditSet Valid LayersSet Valid Lay

13、er对话框。, 点击层符号右边的选择开关，开关变黑，本层被选。 点击Apply按钮，层符号出现在LSW中。 点击LSW的EditSave，Save对话框。, 按Ok存盘。,(2) 设置层符号的颜色和图案 在LSW中，选EditDisplay Resource Editor，“Display Resource Editor”对话框。,Display Resource Editor对话框, 设置层的填充类型（Fill sytle）、填充颜色（Fill color）、外框颜色（Outline Color）、点画（Stipple）和线型（line sytle）。 按Apply按钮。 选FileSave

14、，“Save Display Resource File”框。 在Files区点击左键，/root/display.drf, 左键点击，使它进入Selection的文本框，点击Ok关闭。 对话框报告root/display.drf文件已经存在，按Yes键。,建立显示文件,按Yes键得到新的显示文件,5.3.3 版图编辑窗的设置,版图编辑窗,1. 图标栏（Icon Menu),2. 启动命令和取消命令的方法 (1) 启动命令 从版图窗的菜单栏选命令。 点击版图窗的图标。 用快捷键。 (2) 取消命令 按Esc键。 点击对话框中的Cancel。 (3) 命令的对话框 有两种对话框： 1) 标准框。

15、启动命令时自动出现。,2) 选项框。,3) 显示对话框的方法： 若菜单命令后有三点，标准框会自动出现； 使用命令时双击中键或按F3键。,Move的选项对话框,5.3.4 使用Option菜单进行版图编辑窗设置 1. 显示命令 选命令OptionDisplaye，“Display Options”对话框 。 (1) Display Controls,Display Options 对话框,(2) Grid Controls 4个参数的缺省设置为1、5、0.5和0.5。对于1m或者亚微米的设计规则，可设置为0.1、0.5、0.01和0.01。,2. 编辑器选项 选命令Optionlayout Ed

16、itorE,“layout Editor Options”对话框 。可以设置Gravity Controls（引力控制）、Conic sides（圆环边数)等。,5.4 版图的建立 5.4.1 设置输入层 (1) 鼠标左键单击LSW的层符号即为输入层。 (2) 使用命令Edit Layout Tapt。光标点击目标图形，目标图形所在层就变为输入层。 5.4.2 屏幕显示画图区 刚打开的版图窗，坐标原点在屏幕中央。,5.4 版图的建立,（1）选命令windowPanTab，版图窗和CIW都显示：Point at center of the desired display：（希望显示的中点）用鼠标

17、左键点击屏幕右上角某一点，该点立即移到屏幕中心，第一象限成为画图区。 （2）用键盘上方向键实现坐标轴移动。,5.4.3建立几何图形 1. 矩形（Rectangle） 1）建立矩形命令：CreateRectangle（快捷键r） 。 2）选输入层。 3）画矩形。,(a) 点击左键 (b) 移动鼠标 (c) 点击左键建立矩形 (d) 完成的矩形,4）按Esc键停止画矩形命令。,2. 多边形（polygon） （1）方法1 建立多边形命令：Createpolygon （快捷键P）。 选输入层。 画多边形。,(a) 点击第一点 (b) 继续点击,(c) 双击或按Enter键使多边形封闭 (d) 完成的

18、多边形,（2）方法2 Merge,（a）矩形拼接或重叠形成多边形 （b）合并后的多边形,(3）加圆弧 命令Createpolygon把多边形某一边画成圆弧。 双击鼠标中键或按F3键，reate Polygon选项框。 在框中点击Create Arc按钮。 在多边形中画圆弧。,(a) 点击起点和终点 (b) 移动光标可看到圆弧 (c) 点击建立圆弧,3. 等宽线 (path) 建立等宽线命令Createpath，快捷键p。 在LSW中点击输入层。 双击鼠标中键或按F3键Create path 对话框。 设置线宽度。, 画等宽线。,(a) 每次点击建立另一段，终点双击 (b) 完成的等宽线,4.

19、圆锥曲线 （1）圆（circle) 命令：Createconicscircle,(a) 点击圆心 (b) 移动鼠标 (c) 在圆周上点击画圆 (d) 完成的圆,（2）椭圆（Ellipse）命令：CreateconicsEllipse,点击边框 第一角顶点,c) 点击边框对角顶点 (d) 完成的椭圆,(b) 移动鼠标,（3）圆环（Donut）命令：CreateconicsDonut,(a) 点击圆心 (b) 点击内圆周 (c) 点击外圆周 (d) 完成的圆环,5. 复制(Copy)命令：Editcopy，或者选取Copy图标。,6. 其它命令 (1）合并命令EditMergeM 选中图形（图形高

20、亮度），执行合并命令。,(2)切割命令 EditOtherChopC,例题：设计CMOS反相器版图（用1.5m设计规则） 画版图步骤： 画P管有源区，如图(a）。 画多晶硅栅极：用矩形或等宽线。格点设置为每格0.5m。,(a) 有源区矩形,(b) 用矩形画多晶栅极 (c) 用等宽线画多晶栅极,(3) 画源和漏区的接触孔。 在源区画一个1.5m1.5m接触孔，孔至多晶栅距离为1.5m，如图(a)。 拷贝其余的接触孔（图(b)）。 将源区3个接触孔一次全部拷贝到漏区，漏区接触孔至多晶栅间距为1.5m。,(a) 先画一个尺寸和位置都正确的孔,(b) 拷贝生成其它的孔, MOS管宽度(W)和长度(L)

21、的决定：若已知W/L比值，则W=(W/L)1.5m。 (4) 在有源区外画P+注入矩形，最小包围为1m。 (5) 画N阱，它对有源区的最小包围为2m。完成的P管如图。,有源区,N阱,注入区,P管版图,(6) 用拷贝方法画N管：画选择框把P管的P+注入、有源区和接触孔图形都选中，竖直下拉至合适位置（有源区与N阱相距8.5m）。,修改： 在N管的源漏区分别去除一个接触孔： 向上移动有源区和P+注入层矩形的下边，使有源区覆盖接触孔0.8m； 把P+注入层改为N+注入； 多晶栅极向下延伸至N管有源区外至少0.8m。,(7) 连线。用Metal1层连接P管和N管的漏极作为反相器的输出，且用Metal1画

22、电源线，如图(a)。 (8) 画一条Metal1线将P管源区的接触孔和电源线连接，如图(b)。 (9) 将电源金属线拷贝到N管下方作为地线，再画一根竖直的金属线将N管源区的接触孔和金属地线连接，如图(c)。,(a) (b) (c),(10) 画n阱接触： 拷贝几个接触孔并旋转90，放到电源金属线下。 画有源区矩形将上述接触孔包围。 在有源区外画N+注入框。 把N阱的上边拉到这个接触区上方，使N阱包围N+有源区(图(d)。,(a) (b) (c) (d),(11) P型衬底接触： 将N阱接触的N+注入、有源区和接触孔拷贝到地线金属层图形下。 把拷贝的N+注入层改为P+注入层，如图(e)。 (12

23、)加一段多晶和多晶栅极连接，作为反相器的输入；加一段金属和输出金属线连接，作为反相器的输出导线，如图(f)。,(a) (b) (c) (d) (e) (f),(13)将线名标注到图中，并且把各层图形中由矩形组成的多边形进行合并。完成后如图(g)。,(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g),5.5 版图的编辑 5.5.1 设置层的可视性 1. 显示一层 有二种方法: 1) 显示层设置为输入层， 鼠标点击LSW上NV按钮，选命令windowRedrawr。 2) 按shift键，鼠标中键点击LSW中的显示层，选命令windowRedrawr。 2. 增加显示层 鼠标左键点击LSW中增

24、加的显示层，按快捷键r。 连续点击LSW的层，可以不断增加显示层。 3. 显示所有的层 点击LSW的AV按钮，再按快捷键r。 4. 减少显示层 鼠标中键点击LSW中要减少的层符号，再按快捷键r。（被减少的显示层不能为输入层）。 连续使用可以不断减少显示层。,5.5.2 测量距离或长度 1. 用直尺测量 1）命令windowCreate Rulerk对话框。在测量起点按鼠标左键，显示0。移动光标至终点按左键，测量数据在终点上方。,2）选命令windowClear All RulerK，消除显示的全部测量数据。 2. 状态栏显示坐标及距离,5.5.3 图形显示 1. 显示单元版图的全貌 命令Win

25、dowFit Allf。 2. 返回前面的图形 命令windowUtilitiesPrevious Vieww。 3. 图形的放大和缩小 1）命令WindowzoomInz,图形全屏显示。 2）命令WindowzoomIn by 2z，图形放大2倍。 3）命令WindowzoomOut by 2z，图形缩小1半。 4. 用鼠标放大和缩小图形 1）放大图形：按右键并拖动画矩形框，框内图形全屏幕显示。 2）缩小图形：按shift键不放，同时按右键并拖动鼠标画任意的矩形，图形缩小到与矩形同样大小。 5. 使用键盘的光标移动键 显示图形的不同部分，显示需要编辑的区域。,5.5.4 改变图形的层次 三种

26、方法： 1) 消除原图，在新层重画相同的图。 2) 用拷贝实现图形层次的改变。 3) 用属性改变图形所属的层。 选中图形，图形高亮度； 按q键：图形是矩形Edit Rectangle Properties框；图形是多边形Edit polygon Properties框。,要改变层次的图形为矩形,要改变层次的图形为多边形,5.5.6 加标记 命令：Create Label.lCreate Label对话框。,5.5.6 加标记 产生信号非的标记： 如Abar。,用Overbar选项输入文本,CMOS反相器的棍棒图,5.6 棍棒图 棍棒图：画版图设计的草图，主要目的是解决布局问题，不考虑宽长比和间

27、距。 “混合棍棒图”法：矩形代表有源区(宽度不限)；实线代表金属；虚线代表多晶硅；“”代表接触孔。其它层次不画，通常靠近电源Vdd的是P管，靠近地线Gnd的是N管。,5.6 棍棒图,2输入CMOS与非门的棍棒图,5.6 棍棒图,2输入CMOS或非门棍棒图,5.6 棍棒图,习题. 请画出3输入CMOS与非门（nand3）和3输入 CMOS或非门（nor3）的棍棒图。,解：先画3输入CMOS与非门（nand3）的棍棒图。,I1 I2 I3,5.6 棍棒图,解：再画3输入CMOS或非门（nor3）的棍棒图。,nor3,nand3,5.6 棍棒图,nor3,nand3,5.7 版图设计方法概述 5.7

28、.1 版图设计方法,1.全定制设计法（full-custom design approach) 基于器件的设计。适用于电路性能要求较高，或生产量大的电路，希望得到最高速度、最好性能、最低功耗和最小芯片面积。主要用于小规模模拟IC和结构规整的数字IC。 优点：芯片性能好，芯片制造成本低； 缺点：设计复杂，周期长，设计成本高。 2.半定制设计法（semi-custom design approach) 基于门的设计。事先制作出半成品，然后根据不同设计要求进行连线的设计方法，包括门阵列和门海。主要用于大规模数字IC。 优点：加快设计速度，降低设计制造成本； 缺点：门利用率低，芯片面积大。 3.定制设

29、计法（custom design approach) 结合了1、2的优点，同时有克服了二者的缺点。主要包括标准单元法和通用单元法。二者都是将设计好的版图存入单元库中，版图设计时调用就可以了。,5.7.2 层次化设计 1. 层次化设计概念 多边形版图层为level-1；level-2由level-1的例图和多边形构成；level-3包含多边形、level-1和level-2单元的例图；最高层（level-4）由多边形及level-1至level-3所有单元的例图构成。,2. Instance的调用 例子：画2输入多路选择器(Mux2) 的版图,Mux2 电路图,1）命令CreateInstanc

30、e.Create Instance对话框。,2）Instance复制前，按鼠标右键可以逆时针方向旋转。,3）可以将原图放大或缩小后再复制。,3. 例图的修改 1）在原来层次进行。 2）“打平（flatten)”。 打平就是将Instance分解为多个多边形，打平后该Instance不再属于原单元，也不能再恢复成打平前被调用的形式。,4. Instance的调用与打平 从左至右分别调用 一个与非门，一个反相器，一个与非门和一个与非门。,1) 选中图形。 2）选命令EditHierarchyFlatten.Flatten 对话框。 3）缺省设置，点击Ok键。左起第二个与非门被打平。,Mux2版图,习题. 什么是版图、版图设计？( P160. 1、2) 答：集成电路的制作是平面加工工艺，而芯片是立体结构。平面工艺到立体结构的实现，需要多层掩模版。每一层掩模版需要用一层版图来表示。版图是用二维图形表示电路的三维结构。 版图