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集成电路设计基础.ppt

集成电路设计基础.ppt

上传者: shan 2010-09-09 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《集成电路设计基础ppt》,可适用于工程科技领域,主题内容包含《集成电路设计基础》《集成电路设计基础》山东大学信息学院刘志军上次课内容上次课内容第章集成电路特定工艺引言双极型集成电路的基本制造工艺MESFET工符等。

《集成电路设计基础》《集成电路设计基础》山东大学信息学院刘志军上次课内容上次课内容第章集成电路特定工艺引言双极型集成电路的基本制造工艺MESFET工艺与HEMT工艺CMOS集成电路的基本制造工艺BiCMOS集成电路的基本制造工艺本次课内容本次课内容第章集成电路版图设计引言版图几何设计规则 电学设计规则 布线规则版图设计及版图验证引言引言版图(Layout)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。集成电路制造厂家根据这些数据来制造掩膜。掩模图的作用掩模图的作用掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此版图上的几何图形尺寸与芯片上物理层的尺寸直接相关。设计规则设计规则由于器件的物理特性和工艺的限制芯片上物理层的尺寸进而版图的设计必须遵守特定的规则。这些规则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。因此不同的工艺就有不同的设计规则。厂家提供设计规则厂家提供设计规则设计者只能根据厂家提供的设计规则进行版图设计。严格遵守设计规则可以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。版图几何设计规则版图几何设计规则版图几何设计规则可看作是对光刻掩模版制备要求。光刻掩模版是用来制造集成电路的。这些规则在生产阶段中为电路的设计师和工艺工程师提供了一种必要的信息联系。设计规则与性能和成品率之间的关系设计规则与性能和成品率之间的关系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。规则越保守能工作的电路就越多(即成品率越高)。规则越富有进取性则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。版图几何设计规则版图几何设计规则•从设计的观点出发设计规则可以分为三部分:()决定几何特征和图形的几何规定。这些规定保证各个图形彼此之间具有正确的关系。版图几何设计规则版图几何设计规则()确定掩模制备和芯片制造中都需要的一组基本图形部件的强制性要求。()定义设计人员设计时所用的电参数的范围。版图几何设计规则版图几何设计规则•有几种方法可以用来描述设计规则。其中包括:*以微米分辨率来规定的微米规则*以特征尺寸为基准的λ规则版图几何设计规则版图几何设计规则层次人们把设计过程抽象成若干易于处理的概念性版图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。下面以某种N阱的硅栅工艺为例分别介绍层次的概念。版图几何设计规则版图几何设计规则NWELL硅栅的层次标示版图几何设计规则版图几何设计规则NWELL层相关的设计规则版图几何设计规则版图几何设计规则N阱设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则P、N有源区相关的设计规则列表版图几何设计规则版图几何设计规则P、N有源区设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则Poly相关的设计规则列表版图几何设计规则版图几何设计规则Poly相关设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则Contact相关的设计规则列表版图几何设计规则版图几何设计规则contact设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则Metal相关的设计规则列表版图几何设计规则版图几何设计规则Metal设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则Pad相关的设计规则列表版图几何设计规则版图几何设计规则Pad设计规则示意图版图几何设计规则版图几何设计规则当给定电路原理图设计其版图时必须根据所用的工艺设计规则时刻注意版图同一层上以及不同层间的图形大小及相对位置关系。反相器实例反相器实例参照上述的硅栅工艺设计规则下图以反相器(不针对具体的器件尺寸)为例给出了对应版图设计中应该考虑的部分设计规则示意图。对于版图设计初学者来说第一次设计就能全面考虑各种设计规则是不可能的。为此需要借助版图设计工具的在线DRC检查功能来及时发现存在的问题具体步骤参见本书第十四章。反相器实例反相器实例版图几何设计规则版图几何设计规则问题讨论()  阱的间距和间隔的规则()MOS管的规则()接触电学设计规则电学设计规则•电学设计规则给出的是将具体的工艺参数及其结果抽象出的电学参数是电路与系统设计、模拟的依据。设计规则实例设计规则实例下表给出一个单层金属布线的P阱硅栅CMOS工艺电学设计规则的主要项目。给出电学设计规则的参数名称以及其意义说明根据具体工艺情况将给出具体的数值。电学设计规则描述电学设计规则描述电学设计规则描述电学设计规则描述电学设计规则电学设计规则与上述的几何设计规则一样对于不同的工艺线和工艺流程数据的多少将有所不同对于不同的要求数据的多少也会有所差别。电学设计规则电学设计规则•如果用手工设计集成电路或单元(如标准单元库设计)几何设计规则是图形编辑的依据电学设计规则是分析计算的依据。电学设计规则电学设计规则在VLSI设计中采用的是计算机辅助和自动设计技术几何设计规则是设计系统生成版图和检查版图错误的依据电学设计规则是设计系统预测电路性能(仿真)的依据。 布线规则 布线规则版图布局布线布局就是将组成集成电路的各部分合理地布置在芯片上。布线就是按电路图给出的连接关系在版图上布置元器件之间、各部分之间的连接。由于这些连线也要有一定的芯片面积所以在布局时就要留下必要的布线通道。布线规则布线规则()电源线和地线应尽可能地避免用扩散区和多晶硅走线特别是通过较大电流的那部分电源线和地线。()禁止在一条铝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。布线规则布线规则()压点离开芯片内部图形的距离不应少于μm以避免芯片键合时因应力而造成电路损坏。()布线层选择。布线规则布线规则版图设计及版图验证版图设计及版图验证版图设计一般包括:基本元器件版图设计布局和布线版图分析与检验版图设计及版图验证版图设计及版图验证版图的构成版图由多种基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。版图设计及版图验证版图设计及版图验证•版图布局布线布局就是将组成集成电路的各部分合理地布置在芯片上。布线就是按电路图给出的连接关系在版图上布置元器件之间、各部分之间的连接。单元和单元库的建立单元和单元库的建立在版图设计阶段无论是全定制还是半定制版图设计一定都会用到单元或单元库。全定制设计方法全定制设计方法所谓全定制设计方法就是利用人机交互图形系统由版图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版图的布局布线。半定制设计方法半定制设计方法而在标准单元设计方法中基本的电路单元(如非门、与非门、或非门、全加器、D触发器)的版图是预先设计好的放在CAD工具的版图库中。这部分版图不必由设计者自行设计所以叫半定制。所以在半定制设计中常用到标准单元法。标准单元法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。标准单元库标准单元库单元库实际包括四种符号:符号(symbolview)抽象图(abstractview)线路图(schematicview)版图(layoutview)半定制标准单元示意图半定制标准单元示意图半定制标准单元示意图半定制标准单元示意图线路图是由MOS管组成的电路图。符号图是单元的逻辑符号。可由线路图自动生成或从符号库中复制。总线路图中的symbol应与单元库中的symbol相一致。半定制标准单元示意图半定制标准单元示意图抽象图是把版图中与布局布线有关的图形信息抽出来而删去其他信息所形成的图形。其中包括:单元的边界、电源线、地线、N阱、硅栅、输入输出的脚(PIN)等以及其他必要的信息。半定制标准单元示意图半定制标准单元示意图在布局、布线时系统需调用此图进行布局、布线最后再用视图(VIEW)代替它们即可产生最终的版图。视图(VIEW)视图(VIEW)视图(VIEW)是由设计人员绘制成的标准单元版图。它们必须符合设计规则的要求并包含必须的多个层次的图形。视图除单元本身的图形外还应附加必要的标志如Vdd、GND以及输入、输出端的名称系统也把它们当作一个层次。单元库与工艺数据单元库与工艺数据每一单元库都应与一定的工艺数据相联系这些数据放在所谓“工艺文件(TechnologyFile)”中。无论建立标准单元库还是布局布线阶段都要用到TechnologyFile。可以存在系统中的隐含文件或任一指定文件中。根据需要此文件也可重新命名或进行编辑。TechnologyFileTechnologyFileTechnologyFile包含定义设计所需的全部物理信息包括:各层颜色、线型、显示或绘图设备单层和双层性质视图(VIEW)及其性质物理设计规则所有器件。包括晶体管、接触、引脚器件可以通用也可自定义(详细内容及操作方法详见相关软件使用说明)。版图设计中提高可靠性的措施版图设计中提高可靠性的措施提高金属化层布线的可靠性()大量的失效分析表明因金属化层(目前一般是A层)通过针孔和衬底短路且A膜布线开路造成的失效不可忽视所以必须在设计布线时采取预防措施。例如尽量减少A条覆盖面积采用最短A条并尽量将A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。版图设计中提高可靠性的措施版图设计中提高可靠性的措施()防止A条开路的主要方法是尽少通过氧化层台阶。如果必须跨过台阶则采取减少台阶高度和坡度的办法。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)以减小台阶坡度如图所示。版图设计中提高可靠性的措施版图设计中提高可靠性的措施()为防止A条电流密度过大造成的电迁移失效要求设计时通过A条的电流密度J<Acm(即mAμm)A条要有一定的宽度和厚度。()对多层金属布线版图设计中布线层数及层与层之间通道应尽可能少。版图设计中提高可靠性的措施版图设计中提高可靠性的措施版图设计应考虑热分布问题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避免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。版图设计中提高可靠性的措施版图设计中提高可靠性的措施加强工艺监控其他措施合理布置电源接触孔减小横向电流密度和横向电阻。采用伪收集极。采用保护环。尽可能使P-阱和PMOS管的P+区离得远一些。版图验证版图验证设计规则的验证(DRC)设计规则的验证(DRC)由下述命令格式书写成检查文件:     <出错条件> <出错输出>在运行过程中如果所画版图出现符合<出错条件>的情形则执行<出错输出>。则此出错条件是由设计人员按照设计规则编写的。在DRC执行过程中计算机会自动对照查验图形和出错条件。关于<出错输出>语句可以在其中列出出错单元的名称(CellName)及层次(layName)并写成:<OUTPUTCellNamelayName>。版图验证版图验证例:()EXTTPOLYCONDIFFLTOUTPUTE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μm时出错其中T更强调了在间距等于时也出错。“出错输出”在指定层上给出单元E一个错误标志。()WIDTHCONLTOUTPUTEA这一句意味着接触孔宽度μm小于出错“出错输出”在指定层上给出单元EA一个错误标志。版图验证版图验证版图的电学验证(ERC)除违反设计规则而造成的图形尺寸错误外常还会发生电学错误如电源、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的验证首先应在版图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”。版图验证版图验证ERC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)版图验证版图验证版图参数提取(LPE)对已设计的版图提取各种器件、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:作为电特性检验的基础利用这些参数将版图还原成电路图并与原始电路图比较以便更严格地查找错误。版图参数提取(LPE)版图参数提取(LPE)()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性能的影响。()如果是用自动设计方法制成的版图从单元库中调用已检验过的单元所以只需提取连接线关系及连线的分布电容和电阻进行整个电路的检验即可。版图验证版图验证电路图与版图一致性检查(LVS)电路图与版图一致性检查(LVS)从版图中提取的电路同原电路相比较其方法通常是将两者的网表进行对比。这一工作量是很大的。为了减小对比工作量应增大对比的单元结构。如可对较大的单元结构MOS多种逻辑门及其他组合进行比较。比较的结果可以是完全一致或两者不全一致。设计者应对所示的错误进行必要的版图修改。下次课:第章集成无源器件及SPICE模型下次课:第章集成无源器件及SPICE模型引言薄层集成电阻器有源电阻集成电容器电感互连线传输线本节结束(~)本节结束(~)谢谢!

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