集成电路的版图设计.ppt

集成电路的集成电路的版图设计版图设计 专题专题1 目录目录1. 什么是版图？什么是版图？2. 版图设计过程版图设计过程3. 版图设计的准备工作版图设计的准备工作4. 集成电路版图设计规则集成电路版图设计规则 5. 集成电路版图设计举例集成电路版图设计举例 2 什么是集成电路？什么是集成电路？( (相对分立器件组成的相对分立器件组成的电路而言电路而言) ) 把组成电路的元件、器件以及相互把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成电路与外部的连接靠引脚完成 什么是集成电路设计？什么是集成电路设计？ 根据电路功能和根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证短设计周期，以保证全局优化，设计出满足全局优化，设计出满足要求的集成电路。

要求的集成电路31. 什么是版图？什么是版图？–根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，实现IC设计的最终输出–版图是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示 版图与所采用的制备工艺紧密相关4 2. 版图设计过程版图设计过程 由底向上过程由底向上过程 主要是布局布线过程 布布局局：：将模块安置在芯片的适当位置，满足一定目标函数对级级别别最低的功能块，是指根据连接关系，确定各单元的位置，级级别别高一些的，是分配较低级级别别功能块的位置，使芯片面积尽量小 布布线线：：根据电路的连接关系（连接表）在指定区域（面积、形状、层次）百分之百完成连线布线均匀，优化连线长度、保证布通率5什么是分层分级设计？什么是分层分级设计？ 将一个复杂的集成电路系统的设计将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。

一出的单元逐级组织起复杂的系统一般来说，级别越高，抽象程度越高；般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体级别越低，细节越具体6多路转换开关多路转换开关(MUX--Multiplexer )算术算术/逻辑单元逻辑单元(ALU– ArithmeticLogic Unit 中央处理器中央处理器 (CPU– Central Processing Unit)寄存器传输级寄存器传输级（（ RTL—register transfer level ）） Y型图型图集集成成电电路路的的功功能能集集成成电电路路的的逻逻辑辑和和电电路路组组成成集成电路掩膜版的几何特性集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现和物理特性的具体实现层次层次7从层次和域表示分层分级设计思想从层次和域表示分层分级设计思想域：域： 行为域：集成电路的功能 结构域：集成电路的逻辑和电路组成 物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现层次：层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、 逻辑级与电路级8 集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系系统统需需求求9 集成电路的集成电路的设计设计过程：过程： 设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL））行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化——网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线——版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off—设计业设计业—10系统级系统级行为、性行为、性能描述能描述CPU、存储、存储器、控制器器、控制器等等芯片、电路芯片、电路板、子系统板、子系统算法级算法级I/O算法算法硬件模块、硬件模块、数据结构数据结构部件间的物部件间的物理连接理连接RTL级级状态表状态表ALU、寄存、寄存器、器、MUX微存储器微存储器芯片、宏单芯片、宏单元元逻辑级逻辑级布尔方程布尔方程 门、触发器门、触发器 单元布图单元布图电路级电路级微分方程微分方程 晶体管、电晶体管、电阻、电容阻、电容管子布图管子布图11设计信息描述 分类分类内容内容语言描述语言描述(如如VHDL语语言、言、Verilog语言等语言等)功能描述与逻辑描述功能描述与逻辑描述功能设计功能设计功能图功能图逻辑设计逻辑设计逻辑图逻辑图电路设计电路设计电路图电路图设设计计图图版图设计版图设计符号式版图符号式版图, 版图版图12举例：举例：功能描述功能描述 x=a’b+ab’ 的逻辑图的逻辑图13CMOS与非门的电路图与非门的电路图14CMOS反相器的掩膜版图反相器的掩膜版图场场SiO2栅栅SiO2栅栅SiO215 版图设计就是按照线路的要求和一定的工艺参数，设计出元件的图形并进行排列互连，以设计出一套供IC制造工艺中使用的光刻掩膜版的图形，称为版图或工艺复合图。

版图设计是制造IC的基本条件，版图设计是否合理对成品率、电路性能、可靠性影响很大，版图设计错了，就一个电路也做不出来若设计不合理，则电路性能和成品率将受到很大影响版图设计必须与线路设计、工艺设计、工艺水平适应版图设计者必须熟悉工艺条件、器件物理、电路原理以及测试方法16 作为一位版图设计者，首先首先要熟悉工艺条件和器件物理，才能确定晶体管的具体尺寸铝连线的宽度、间距、各次掩膜套刻精度等其次其次要对电路的工作原理有一定的了解，这样才能在版图设计中注意避免某些分布参量和寄生效应对电路产生的影响同时同时还要熟悉调试方法，通过对样品性能的侧试和显微镜观察，可分析出工艺中的间题也可通过工艺中的问题发现电路设计和版图设计不合理之处，帮助改版工作的进行特别是测试中发现某一参数的不合格，这往往与版图设计有关 17 典型的典型的IC设计流程设计流程行为描述行为描述行为级综合行为级综合逻辑综合逻辑综合版图综合版图综合掩膜掩膜 将行为级描述（将行为级描述（HDL））转转 换成寄存器传输级（换成寄存器传输级（RTL））的的 结构描述结构描述 • 将逻辑级的行为描述将逻辑级的行为描述 （状态转移图、布尔方程、真值表、（状态转移图、布尔方程、真值表、 转换成逻辑级的结构描述（逻辑门转换成逻辑级的结构描述（逻辑门 的网表）；的网表）； • 逻辑优化逻辑优化 • 逻辑仿真，采用硬件仿真（逻辑仿真，采用硬件仿真（PLD、、FPGA）） • 测试综合（提供自动测试图性生成，可消测试综合（提供自动测试图性生成，可消 除设计中的冗余逻辑，诊断设计中的除设计中的冗余逻辑，诊断设计中的 不可测逻辑结构）不可测逻辑结构）将门级网表转化成将门级网表转化成版图（完成布局、布线）版图（完成布局、布线）A. 总体设计流程总体设计流程18LVS（（Layout versus Schematic））B. 布局、布线流程布局、布线流程网表输入网表输入布图规划布图规划布局布局全局布线全局布线详细布线详细布线版图参数提取版图参数提取一致性检查一致性检查后模拟后模拟版图生成版图生成掩膜文件掩膜文件将版图寄生参数引入将版图寄生参数引入电路图，模拟检查电路的时电路图，模拟检查电路的时序及速度等是否仍符合要求序及速度等是否仍符合要求POST SIMULATIONplace & route19– 版图验证与检查 DRC（Design Rule Cheek）：几何设计规则检查 ERC（Electrical Rule Check）：电学规则检查 LVS（Layout versus Schematic）：网表一致性检查 POST SIMULATION：后仿真（提取实际版图参数、电阻、电容，生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路模拟，以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等)，产生测试向量– 软件支持：成熟的CAD工具用于版图编辑、人机交互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证20 版图设计过程大多数基于单元库实现（1）软件自动转换到版图，可人工调整（规则芯片）（2）布图规划（floor planning) 工具 布局布线（place & route）工具 布图规划：在一定约束条件下对设计进行物理划分，并初步确定芯片面积和形状、单元区位置、功能块的面积形状和相对位置、I/O位置，产生布线网格，还可以规划电源、地线以及数据通道分布（3）全人工版图设计：人工布图规划，提取单元， 人工布局布线（由底向上： 小功能块到大功能块）21 3. 版图设计的准备工作版图设计的准备工作 在进行版图设计以前，必须进行充分的准备工作。

一般包括以下几方面 ①①了解工艺现状，确定工艺路线了解工艺现状，确定工艺路线 确定选用标准pn结隔离或对通隔离工艺或等平面隔离工艺由此确定工艺路线及光刻掩膜版的块数 由制版和光刻工艺水平确定最小接触孔的尺寸和光刻套刻精度光刻工艺的分辨率，即能刻蚀图形的最小宽度，受到掩膜分辨率、光刻胶分辨率、胶膜厚度、横向腐蚀等多因素的限制套刻精度与光刻机的精度和操作人员的熟练程度关系密切 23 要了解采用的管壳和压焊工艺封装形式可分为金属圆筒塑(TO-5型)、扁平封装型和双列直插型(DIP)等多种，管芯压点分布必须和管壳外引脚排列相吻合当采用热压焊时，压焊点的面积只需70μm×70μm，超声压焊需100μm×100μm ~125μm×25μm，金丝球焊需125μm ×125μm，金丝球焊牢固程度高，金丝在靠近硅片压点处是垂直的，可压到芯片纵深处(但必须使用温度SiO2纯化层)，使用起来很灵活24 ②②解剖同类型的解剖同类型的IC的产品的产品 解剖同类型IC产品，可作为自己设计和生产的借鉴。

解剖工作包括版图分析和基本尺寸的测量，元件性能测试和工艺解剖和分析三个方面通过版图分析和基本尺寸的测量可获得实际的线路图和逻辑功能图，可了解到版图布局，还可取得各种元件尺寸的数据以了解其它单位或国外制版和光刻水平但应注意“侵权”问题25 3. IC版图的设计规则版图的设计规则 IC设计与工艺制备之间的接口– 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差套准偏差可能带来的问题，尽可能地提高电路制备的成品率– 什么是版图设计规则？考虑器件在正常工作的条件下，根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能力、对准容差等)和成品率要求，给出的一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现26 1.  设计规则或规整格式设计规则设计规则或规整格式设计规则 70年代末，Meed和Conway倡导以无量纲的“”为单位表示所有的几何尺寸限制，把大多数尺寸（覆盖，出头等等）约定为的倍数通常 取栅长度取栅长度L的的一半一半，又称等比例设计规则等比例设计规则。

由于其规则简单，主要适合于芯片设计新手使用，或不要求芯片面积最小，电路特性最佳的应用场合在这类规则中，把绝大多数尺寸规定为某一特征尺寸“”的某个倍数与工艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差 优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸28 ⑴⑴ 宽度及间距：宽度及间距： 关于间距： diff：两个扩散区之间的间距不仅取决于工艺上几何图形的分辨率，还取决于所形成的器件的物理参数如果两个扩散区靠得太近，在工作时可能会连通，产生不希望出现的电流29 poly-Si：取决于工艺上几何图形的分辨率 Al:铝生长在最不平坦的二氧化硅上， 因此，铝的宽度和间距都要大些，以免短路或断铝 diff-poly：无关多晶硅与扩散区不能相互重叠，否则将产生寄生电容或寄生晶体管30 ⑵⑵ 接触孔接触孔：孔的大小：22diff、poly的包孔：1孔间距：1 说明：接触孔的作说明：接触孔的作用是将各种类型的半导体用是将各种类型的半导体与金属引线进行连接，这与金属引线进行连接，这些半导体材料包括些半导体材料包括N型硅、型硅、P型硅、多晶硅等。

型硅、多晶硅等 由于工艺的限由于工艺的限制，制，一般不做细长一般不做细长的接触孔，而是分的接触孔，而是分成若干个小的接触成若干个小的接触孔来实现大面积的孔来实现大面积的接触31 ⑶⑶ 晶体管规则晶体管规则：多晶硅与扩散区最小间距：栅出头：2，否则会出现S、D短路的现象扩散区出头：2，以保证S或D有一定的面积32 ⑷⑷ P阱规则：阱规则：说明：制作p阱的目的是在N型硅衬底上形成一块P型衬底区域，在一个设计中根据需要可能设计若干个p阱区 A1=4：最小P阱宽度A2=2/6：P阱间距， A2=2 当两个P阱同电位 A2=6 当两个P阱异电位时，A3=3：P阱边沿与内部薄氧化区（有源区）的间距A4=5：P阱边沿与外部薄氧化区（有源区）的间距A5=8：P管薄氧化区与N管薄氧化区的间距33版图设计图例版图设计图例34MOS集成电路的版图设计规则集成电路的版图设计规则基本的基本的 设计规则图解设计规则图解 35363738394041p.33342434445464748MK14950515253 2. 微米设计规则，又称自由格式规则微米设计规则，又称自由格式规则 ——80年代中期，为适应VLSI MOS电路制造工艺，发展了以微米为单位以微米为单位的绝对值表示的版图规则。

针对一些细节进行具体设计，灵活性大，对电路性能的提高带来很大方便适用于有经验的设计师以及力求挖掘工艺潜能的场合目前一般的MOS IC研制和生产中，基本上采用这类规则其中每个被规定的尺寸之间没有必然的比例关系显然，在这种方法所规定的规则中，对于一个设计级别，就要有一整套数字，因而显得烦琐但由于各尺寸可相对独立地选择，所以可把尺寸定得合理 54图图1.1055565758596061626364656667 双极型双极型IC版图设计的一般规则版图设计的一般规则 版图设计总的原则是既要充分利用硅片面积，又要在工艺条件允许的限度内尽可能提高成品率．版图面积(包括压焊点在内)尽可能小而接近方形，以减少每个电路实际占有面积；生产实践表明，当芯片面积降低10%，则每个大圆片上的管芯成品率可以提高15％~25%下面讨论版图设计时所应遵循的一般原则68 ①①隔离区的数目尽可能少隔离区的数目尽可能少 pn结隔离的隔离框面积约为管芯面积的三分之一，隔离区数目少，有利于减小芯片面积。

集电极电位相同的晶体管，可以放在同一隔离区二极管按晶体管原则处理全部电阻可以放在同一隔离区内，但隔离区不宜太大，否则会造成漏电大，耐压低为了走线方便，电阻也可以分别放在几个隔离区内 各压焊块(地压焊块除外)都故在隔离区内，以防止压焊时压穿SiO2，造成与衬底短路，管芯外围也要进行大面积隔离扩散，以减少输入端箝位二极管的串联电阻 69隔离区的划分隔离区的划分70 ②②注意防止各种寄生效应注意防止各种寄生效应 隔离槽要接电路最负电位，电阻岛的外延层接最高电位这是保证pn隔离效果的必要条件，使pn隔离区结始终处于反偏置状态输入与输出端应尽可能远离，以防止发生不应有的影响电阻等发热元件要放在芯片中央使芯片温度分布均匀71 设计铝条时，希望铝条尽量短而宽铝条本身也要引入串连电阻，因此也需计算铝条引入的串联电阻对线路的影响铝条不能相交，在不可避免的交叉线时，可让一条或几条铝条通过多发射极管的发射极区间距或发射区与基区间距，也可从电阻上穿过，但不应跨过三次氧化层 必须采用“磷桥”穿接时，要计算“磷桥”引入的附加电阻对电路特性的影响。

一般不允许“磷桥”加在地线上但是在设计IC时应尽可能避免使用扩散条穿接方式，因为扩散条不仅带来附加电阻和寄生电容，同时还占据一定面积③③设计铝条时的注意事项设计铝条时的注意事项72 在LSI中，当一层布线无法保证实现元件之间的必要联接时，普遍使用多层布线，如图所示 铝条压焊点电极要有合理分布，应符合引出脚排列73 ④④保证元件的对称性保证元件的对称性 参数要求相互一致的元件，应放在邻近的区域几何结构尽可能对称，不能只考虑走线方便而破坏对称性 ⑤⑤接地孔尽可能开大些接地孔尽可能开大些 凡需接地的发射极、电阻等，不能只靠在隔离槽上开的接触孔接地，要尽可能让地线直接通过该处接地线尽可能地沿隔离槽走线接电源的引线应短而宽，接Vcc的电源孔应尽可能开大些集电极等扩磷孔应比其它接触孔大74 ⑥⑥铝条适当盖住接触孔铝条适当盖住接触孔(一般每边覆盖2μm)，在位置空的地方可多复盖一些，走线太紧时，也可只复盖一边 ⑦⑦为了减小版面同时又使走线方便、布局合理，各电阻的形状可以灵活多样电阻的形状可以灵活多样，小电阻可用隐埋电阻。

各管电极位置可以平放或立放 ⑧⑧凡是可能，所设计的电路应留有适当有适当的过载能力的过载能力，并避免使用易损坏的元件 ⑨⑨压焊块压焊块的数目以及排列顺序应该与外壳引出脚排列相符合，电极分布应均匀75 ⑩⑩确定光刻的基本尺寸确定光刻的基本尺寸根据工艺水平和光刻精度定出图形及各个扩散间距的最小尺寸，其中最关键的是发射极接触孔的尺寸和套刻间距集成晶体管是由一系列相互套合的图形所组成，其中最小的图形是发射极接触孔的宽度，所以往往选用设计规则中的最小图形尺寸作为发射接触孔其它图形都是在此基础上考虑图形间的最小间距面进行逐步套合、放大最小图形尺寸受到掩膜对中容差，在扩散过程中的横向扩散、耗尽层扩展等多种因素的限制76 如果最小图形尺寸取得过小，则会使成品率下降如取得过大，则会使芯片面积增大，使电路性能和成本都受到影响所以选取最小图形尺寸应切实根据生产上具体光刻、制版设备的精度，操作人员的熟练程度以及具体工艺条件来确定在一定的工艺水平下，版图上光刻基本尺寸放得越宽，则版图面积越大，瞬态特性因寄生电容大而受到影响。

如尺寸扣得越紧，则为光刻套刻带来困难，光刻质量越难保证这两种情况都会影响成品率通常是在保证电路性能的前提下适当放宽尺寸77 对于双极型集成电路，是以引线孔为基准，尺寸规定如下(详细见图详细见图1.7.1)： ①引线孔的最小尺寸为2 ×2  ②金属条的最小宽度为2 ，扩散区(包括基区、发射区和集电区)的最小宽度为2 ， P+隔离框的最小宽度为2 ． ③扩散区对引线孔各边留有的富裕量大于或等于1  ，埋层对基区各边应留有的富裕量大于或等于1 ④除N+埋层与P+隔离槽间的最小间距应为4 外，其余的最小间距均为2 这是因为P+的隔离扩散深度较深，故横向扩散也大，所以应留有较大富裕量78331页页 图图17.179（（续续））80中速TTL电路版图设计规则(μm)最小套刻间距 5最小隔离槽宽度 10元件与隔离槽最小间距 18埋层与隔离槽最小间距 18基区和集电极孔最小间距 5最小发射极孔 8×8最小基极孔宽 8最小集电极孔宽 8最小电阻条宽 10电阻条间最小间距 7最小电阻引线孔 8×8铝条最小宽度(包括两边覆盖2μm) 10长铝条最小间距 10 短铝条最小间距 5键合点最小面积 100×100 两键合点最小间距 70隔离槽外边界与键合点之间的最小间距 150划片间距 400（（1976年）年）（（1986年）年）81 最小面积晶体管最小面积晶体管 集成电路版图设计通常是由集成电路中晶体管版图开始的，而该晶体管版图通常是最小面积晶体管的版图。

因此，掌握什么是最小面积晶体管，其版图是如何确定的非常重要另外，掌握集成电路制造中常用的各种晶体管版图及其对应的工艺剖面结构也是十分重要的最小面积晶体管--由图形最小尺寸（图形最小线宽和图形最小间距）构成的晶体管82 如图18.21（p.356）所示的最小面积晶体管，隔离框内管芯面积为6064μm2，如果槽宽为10μm，则每个最小晶体管所需隔离槽面积为3800μm2，每条隔离槽为两相邻隔离岛共用，所以每个最小面积晶体管所需的隔离槽面积为1900 μm2 ，大约为内管芯面积的1/3～l/4图图18.2183351页，页，18.2.2节节5. 双极型双极型IC中元件的图形设计中元件的图形设计 按标准pn结隔离工艺制作的纵向npn管的纵向结构和杂质分布如图A所示图中作为集电区的外延层掺杂浓度由晶体管的VCB0和VCE0所决定，外延层电阻率是决定晶体管集电结势垒电容Cc、硼扩电阻分布电容和隔离衬底结寄生电容Ccs的重要因素，对电路速度影响较大的Ccs部分地由衬底电阻率决定埋层的薄层电阻和埋层扩散深度直接影响到集电极串联电阻rcs由发射区扩散和基区扩散决定了电流放大系数和特征频率。

84图图A85集成集成npn管的设计管的设计 1) IC对晶体管的要求对晶体管的要求 如同分立晶体管一样，集成晶体管必须具有一定的耐压，有良好的频率特性，具有较低的噪声系数，能承受一定的电流容量，具有低的rCS和VCES，这些参数的设计考虑与分立晶体管有一定的类似但由于集成晶体管的集电极必须从上面引出，这就使rCS显著增大同时集成晶体管的集电极被pn结包围，又存在着寄生电容和寄生pnp效应，所以在分析集成晶体管特性时，必须考虑这些特性 （1）击穿电压 V(BR) V(BR)EBO≈6~9V，V(BR)CBO， V(BR)CEO V(BR)CSO> V(BR)CBO，V(BR)CEO86（（2）频率特性）频率特性87 (3) 最大工作电流最大工作电流IEmax或或ICmax 当IE 达到IEmax(或相应的ICmax 值)时，β就会下降晶体管在大电流下工作时，基极电流也较大基极电流在横向基区扩展电阻上产生一个较大的电压降，其结果是：发射结不同部位上的正偏压值不相等愈靠近中央部位，发射结正偏压越小，甚至可能反向靠近基极接触的发射结部位，正偏压较大。

因此，发射极电流密度在中央部位小，电流基本上集中在发射结边缘基极电流很大时，发射结的有效面积集中在结的边缘这种现象叫做发射极电流集边效应，或者叫基区自偏压效应当晶体管的工作频率与fT，很接近，故基极电流很大，约等于发射极电流，此时电流集边效应最显著，晶体管发射结的有效面积显著减小 88 为了尽量减小晶体管的发射结无效面积，提高晶体管的高频性能，在设计高频晶体管时，发射结周长要尽可能大，面积要尽可能小，即两者之比要尽可能大IEmax(或相应的ICmax 值)只和靠近基极条一边的发射区周长（即“有效发射区周长”）成正比，而与发射区面积无关，即IEmax=α×LE，其中α为发射区单位有效周长的最大工作电流不同电路取α值是不同的： αnpn逻辑 = 0.16~0.4mA/μm αnpn线性 =0.04~0.16 mA/μm α横向pnp = 0.001~0.008 mA/μm α纵向pnp = 0.005~0.015 mA/μm89 2) 集成晶体管的常用图形集成晶体管的常用图形集成集成npn管电极配置管电极配置90参考参考 68页图页图4.3 多了一个电平位移二极管多了一个电平位移二极管参考参考 5页图页图1.10电极排序电极排序B、、E、、C电极排序电极排序E、、B、、C91p.353EEBBCC92p.354CBEEE93 集成二极管、集成二极管、SBD和肖特基晶体管和肖特基晶体管 在IC中，集成二极管的结构除单独的BC结外，通常由晶体管的不同连接方式而构成多种形式，并不增加IC工序，而且可以使二极管的特性多样化，以满足不同电路的需要。

集成二极管可采用的几种常见版图结构，即基极集电极短路二极管结构、集电极发射极短路二极管结构、基极发射极短路二极管结构、集电极悬空二极管结构、发射极悬空二极管结构和单独二极管结构 1) 集成二极管集成二极管94 六种集成二极管的特性比较六种集成二极管的特性比较95 二极管接法的选择由电路对正向压降、动态电阻、电容、存储时间和击穿电压的不同要求来决定其中，最常用的有两种：• BC结短接二极管结短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最短，正向压降低，故一般DTL逻辑的输入端的门二极管都采用此接法• 单独的单独的BC结二极管结二极管，因为不需要发射结，所以面积可作得很小，正向压降也低，且击穿电压高96 2) 肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（SBD）和）和肖特基箝位晶体管（肖特基箝位晶体管（SCT））97PtSi9899357页页 18.2.4 节节 6. 设计举例：设计举例： TTL五管单元与非门电路图五管单元与非门电路图 (1)决定隔离区数目 此电路共有5个隔离区(压焊块除外)，如图中虚线所示，如包括10个引出端压焊块，则共要15个隔离区。

(2)确定端头的排列及引出端数 对所有的电路来说，输入、输出、电源、接地这些引出端是必须的，对该门电路 来说，这4部分的引出端数目共有8个(输入端有5个)另外，它还有2个扩展端它们分别从Q2的发射极和集电极引出，所以共有l0个引出端在设计版图时应考虑到压焊点的排列，不应使引出线相互跨越，以免造成短路使用 时常连在一起的2个引出线要尽量排在一起 P. 358图图18.22电路图电路图100 (3)确定元件尺寸 根据以前介绍过的方法，来决定晶体管所用的型式并估算它的尺寸由电路分析知，此电路中Q2 ，Q5饱和(且Q5为输出管)，要通过较大的电流，所以可采用马蹄形结构Q4的瞬态电流很大，所以发射极有效长度也要大些Q3管不通过大电流，采用单基极条结构就可以了多发射极晶体管Q1及电阻的设计可参考前面介绍的知识来进行隔离岛的最小尺寸，可按元件的形状，加上隔离槽与元件的间距(一般可取外延层厚度的两倍)来决定在实际的版图中，考虑到布局、布线等因素，隔离岛的实际尺寸稍大于上述的最小尺寸101 (4)画布局布线草图 画此草图的目的是：①大致安排一下各元件的位置。

②画出内连线的连接图形，使满足设计原则中对Al线的要求(如连通、无交叉等) 对此电路来说，考虑到电路引出端的排列，我们希望输出管Q5安排在右下角，隔离槽的接点地放在右角，电源接点安排在左下角这样，多发射极晶体管Q1以及Q2分别安排在左上角及右上角就较为适宜了 这一布局使压焊点离管脚最近，不会发生热压引线交叉的现象 布局、布线草图如图所示由图可见，内引线中只有一条连线(R3接到Q5管基极)跨过电阻R4，其余连线都没有跨过元件，这是符合设计原则的必须注意，电阻隔离岛要接最高电位，即接电源电压，隔离槽接地P. 359 图图18.23102 (5)绘制IC版图总图 根据布局布线草图，以一定的放大倍数把IC的平面布局布线图画在坐标纸上，称之为总图在描绘总图时，除画下各元件尺寸、隔离槽及内外引线外，还要在管芯的周围画上压焊块作压焊用压焊块的尺寸根据压焊方式和设备情况而定要在压焊块下的N区制造隔离区或进行P型基区扩散 实际版图上还有制版、光刻或监测工艺的符号及图形(微电子测试图形)，这里略去103TTL五管五管单元单元5输入输入端与非门端与非门电路版图电路版图总图总图P. 360 图图18.24104双极型逻辑双极型逻辑IC版图设计举例版图设计举例图图图图A A示出标准示出标准示出标准示出标准TTLTTL电路电路电路电路( (图图图图4.1)4.1)的版图的版图的版图的版图( (没画出没画出没画出没画出箝位二极管箝位二极管箝位二极管箝位二极管) )。

图中引图中引图中引图中引出脚出脚出脚出脚1 1、、、、2 2为输入端，为输入端，为输入端，为输入端，3 3为输出端，为输出端，为输出端，为输出端，4 4为接地端，为接地端，为接地端，为接地端，5 5为电源，为电源，为电源，为电源，6 6和和和和7 7为或扩为或扩为或扩为或扩展器引出端展器引出端展器引出端展器引出端67T4图图A图图图图4.14.112345T3T1T2R4R1R2R3ViViDD1105图图图图B B是图是图是图是图A A各层掩膜版各层掩膜版各层掩膜版各层掩膜版的示意图，的示意图，的示意图，的示意图， 图中设有图中设有画出埋层扩散版，集电画出埋层扩散版，集电极接触磷穿透扩散版和极接触磷穿透扩散版和压焊点钝化版压焊点钝化版各次版各次版各次版各次版图的对准是十分重要的图的对准是十分重要的图的对准是十分重要的图的对准是十分重要的为此在每一张版图上，为此在每一张版图上，为此在每一张版图上，为此在每一张版图上，除第一张和最后一张外，除第一张和最后一张外，除第一张和最后一张外，除第一张和最后一张外，都应有两个用来对准用都应有两个用来对准用都应有两个用来对准用都应有两个用来对准用的检测图形。

小一些的的检测图形小一些的的检测图形小一些的的检测图形小一些的对准图形用来对准上一对准图形用来对准上一对准图形用来对准上一对准图形用来对准上一张版图，大一些的对准张版图，大一些的对准张版图，大一些的对准张版图，大一些的对准图形用来对准下一张图图形用来对准下一张图图形用来对准下一张图图形用来对准下一张图在第一张版图上，仅有在第一张版图上，仅有在第一张版图上，仅有在第一张版图上，仅有小一些的对准图形在小一些的对准图形在小一些的对准图形在小一些的对准图形在版图的边缘处还设计了版图的边缘处还设计了版图的边缘处还设计了版图的边缘处还设计了供检测元件电参数用的供检测元件电参数用的供检测元件电参数用的供检测元件电参数用的晶体管图形和薄层电阻晶体管图形和薄层电阻晶体管图形和薄层电阻晶体管图形和薄层电阻的图形隔隔隔隔离离离离扩扩扩扩散散散散版版版版基基区区扩扩散散版版发发射射区区扩扩散散版版接接触触孔孔版版金金属属化化版版图图B图图A106隔离扩散版R1R2R3R4T1T2T3T4D11234567陪管陪管R R0 0107基区扩散版R1R2R3R4T1BT2BT3BT4BD1阳极阳极陪管陪管BR R0 0套套套套刻刻刻刻用用用用图图图图形形形形108发射区扩散版D1阴极阴极陪管陪管C陪管陪管ET1CT1E1T1E2T2ET2CT3CT3ET4CT4E套套套套刻刻刻刻用用用用图图图图形形形形109接触孔版套套刻刻用用图图形形陪管陪管C陪管陪管B陪管陪管ED1阴极阴极D1阳极阳极T1BT1CT1E1T1E1T4CT4ET4BT3CT3ET3BT2CT2ET2BR R1 1R R1 1R R2 2R R2 2R R3 3R R3 3R R4 4R R4 4110金属化版套套刻刻用用图图形形1 12 23 34 45 56 67 7R R0 0陪管陪管111112图图19.2113 铝栅工艺铝栅工艺CMOS反相器版图举例反相器版图举例 图A为铝栅CMOS反相器版图示意图。

可见，为了防止寄生沟道以及p管、n管的相互影响，采用了保护环或隔离环：对n沟器件用p+环包围起来， p沟器件用n+环隔离开，p+、n+环都以反偏形式接到地和电源上，消除两种沟道间漏电的可能 114版图分解：刻P阱刻P+区/环刻n+区/环刻栅、预刻接触孔刻接触孔刻Al 图A 铝栅CMOS反相器版图示意图 115B116C117D118 硅栅硅栅NMOS反相器版图举例反相器版图举例1、、E/E NMOS反相器反相器  刻有源区 刻多晶硅 刻接触孔 反刻Al 图E E/E NMOS反相器版图示意图119E/D NMOS 反相器 刻有源区刻耗尽注入区刻多晶硅刻PMOS管S、 D刻NMOS管S、 D刻接触孔 反刻Al 图F E/D NMOS 反相器版图 120 硅栅硅栅CMOS与非门版图举例与非门版图举例 刻P阱刻p+环刻n+环刻有源区刻多晶硅刻PMOS管S、D刻NMOS管S、D刻接触孔反刻Al 图G 硅栅CMOS与非门版图 1218.4.3 源漏电容源漏电容 p. 149122N阱阱N阱阱N阱阱p. 156Poly-SAl图例：图例：实线：扩散区，实线：扩散区，虚线：铝，虚线：铝，阴影线：多晶硅、阴影线：多晶硅、黑方块：引线孔黑方块：引线孔引线孔引线孔扩散区扩散区MR,PMR,N123 CMOS IC 版图设计技巧版图设计技巧 1、布局要合理、布局要合理 （（1））引引出出端端分分布布是是否否便便于于使使用用或或与与其其他他相相关关电电路路兼兼容，是否符合管壳引出线排列要求。

容，是否符合管壳引出线排列要求2））特特殊殊要要求求的的单单元元是是否否安安排排合合理理，，如如p阱阱与与p管管漏漏源源p+区区离离远远一一些些，，使使 pnp ，，抑抑制制Latch-up，，尤尤其其是是输输出级更应注意出级更应注意3））布布局局是是否否紧紧凑凑，，以以节节约约芯芯片片面面积积，，一一般般尽尽可可能能将各单元设计成方形将各单元设计成方形4）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温度分布是否合理度分布是否合理 124 2、单元配置恰当、单元配置恰当 （（1）芯片面积降低）芯片面积降低10%，管芯成品率，管芯成品率/圆圆片片 可提高可提高15 20% （（2）多用并联形式，如或非门，少用串）多用并联形式，如或非门，少用串联形式，如与非门联形式，如与非门 （（3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨导管采用条状图形，使图形排列尽可能规导管采用条状图形，使图形排列尽可能规整125 3、布线合理、布线合理 •布线面积往往为其电路元器件总面积的几倍，在多层布线中尤为突出。

•扩散条/多晶硅互连多为垂直方向，金属连线为水平方向，电源地线采用金属线，与其他金属线平行•长连线选用金属 •多晶硅穿过Al线下面时，长度尽可能短，以降低寄生电容 •注意VDD、VSS布线，连线要有适当的宽度 •容易引起“串扰”的布线（主要为传送不同信号的连线），一定要远离，不可靠拢平行排列 126 4、、CMOS电路版图设计对布线和接触孔的电路版图设计对布线和接触孔的特殊要求特殊要求 （（1））为抑制Latch up，要特别注意合理布置电源接触孔和VDD引线，减小横向电流密度和横向电阻RS、RW 采用接衬底的环行VDD布线 增多VDD、VSS接触孔，加大接触面积，增加连线牢固性 对每一个VDD孔，在相邻阱中配以对应的VSS接触孔，以增加并行电流通路 尽量使VDD、VSS接触孔的长边相互平行 接VDD的孔尽可能离阱近一些 接VSS的孔尽可能安排在阱的所有边上（P阱） 127（（2）尽量不要使多晶硅位于）尽量不要使多晶硅位于p+区域上区域上多晶硅大多用n+掺杂，以获得较低的电阻率若多晶硅位于p+区域，在进行p+掺杂时多晶硅已存在，同时对其也进行了掺杂——导致杂质补偿，使多晶硅。

3）金属间距应留得较大一些（）金属间距应留得较大一些（3 或或4 ）） 因为，金属对光得反射能力强，使得光刻时难以精确分辨金属边缘应适当留以裕量128 5、双层金属布线时的优化方案、双层金属布线时的优化方案 （1）全局电源线、地线和时钟线用第二层金属线 （2）电源支线和信号线用第一层金属线（两层金属之间用通孔连接） （3）尽可能使两层金属互相垂直，减小交叠部分得面积1291. 阱——做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管和N管的衬底2. 有源区——做晶体管的区域（G、D、S、B区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层3. 多晶硅——做硅栅和多晶硅连线封闭图形处，保留多晶硅 4. 有源区注入——P+、N+区（select)做源漏及阱或衬底连接区的注入5. 接触孔——多晶硅，注入区和金属线1接触端子6. 金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝7. 通孔——两层金属连线之间连接的端子8. 金属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝 硅栅硅栅CMOS 版图和工艺的关系版图和工艺的关系130N wellP well CMOS反相器版图流程反相器版图流程(1)1. 阱阱——做做N阱和阱和P阱封闭图形，阱封闭图形，窗口注入形成窗口注入形成P管和管和N管的衬底管的衬底131N diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2. 有源有源区区——做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、、D、、S、、B区区)，，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层132P diffusion CMOS反相器版图流程反相器版图流程(2)2. 有源有源区区——做晶体管的区域（做晶体管的区域（G、、D、、S、、B区区)，，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层133Poly gate CMOS反相器版图流程反相器版图流程(3)3. 多晶硅多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。

做硅栅和多晶硅连线封闭图形处，保留多晶硅封闭图形处，保留多晶硅 134N+ implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4. 有源区注入有源区注入——P+，，N+区（区（select)135P+ implant CMOS反相器版图流程反相器版图流程(4)4. 有源区注入有源区注入——P+、、N+区（区（select)136contact CMOS反相器版图流程反相器版图流程(5)5. 接触孔接触孔——多晶硅，注入区和金属线多晶硅，注入区和金属线1接触端子接触端子137Metal 1 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(6)6. 金属线金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝138via CMOS反相器版图流程反相器版图流程(7)7. 通孔通孔——两层金属连线之间连接的端子两层金属连线之间连接的端子139Metal 2 CMOS反相器版图流程反相器版图流程(8)8. 金属线金属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝做金属连线，封闭图形处保留铝140VDDGNDVDDGNDinverter：：Schematic:Layout:inputoutputm1m2m2m1 141 1. 有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，金属和多晶连线多做在场区上。

2. 有源区和P+,N+注入区的关系：有源区即无场氧化层，在这区域中可做N型和P型各种晶体管，此区一次形成 3. 至于以后何处是NMOS晶体管，何处是PMOS晶体管，要由P+注入区和N+注入区那次光刻决定 4. 有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和P+注入区交集处即形成P+有源区， P+注入区比所交有源区要大些须解释的问题：须解释的问题：1425. 有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和N+注入区交集处即形成N+有源区， N+注入区比所交有源区要大些6. 两层半布线 金属，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）三层布线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得注入有源区连线断开7. 三层半布线 金属1，金属2 ，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）四层线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得注入有源区连线断开143。