集成电路版图设计与解析
0 or 6 10
3
Select
3 2
Different Potential
9
2
Polysilicon
2
Metal1
3
Contact
or Via
2
Hole
3
2
Metal2
4
3
14
Transistor Layout
Transistor
1
3
2
5
15
MOSFET
Polysilicon gate
Source
gate-oxide
Tungsten n+
p-well
p-epi p+
TiSi2
AlCu SiO2
poly
n-well
SiO2 p+
Dual-Well Trench-Isolated CMOS Process
7
Photo-Lithographic Process
oxidation
optical mask
n+
xd
Drain
W
xd
n+
Ld Top view
tox
n+
L
Gate-bulk overlap
Gate oxide
n+
Cross section
16
Vias and Contacts
Via 1
Metal to 1 Active Contact
1 Metal to Poly Contact
2 4
5
21
CMOS Inverters
PMOS
VDD
横栅结构
In Polysilicon
NMOS
1.2m =2
Out Metal1
GND
22
Layout Editor
23
Design Rule Checker
poly_not_fet to all_diff minimum spacing = 0.14 um. 24
Bipolar logic 1960’s
ECL 3-input Gate Motorola 1966
4
Wafer， die， chip
Single die
From
Wafer
Going up to 12” (30cm)
5
CMOS Prococess
scalable design rules: lambda parameter absolute dimensions (micron rules)
11
CMOS Process Layers
Layer
Well (p,n) Active Area (n+,p+) Select (p+,n+) Polysilicon Metal1 Metal2 Contact To Poly Contact To Diffusion Via
集成电路 版图设计与
解析
.
1
1、Introduction
IC – Integrated circuits Wafer, die and chip CMOS Process Modern CMOS Process Photo-Lithographic Process Mask View
2
3
Chip View
19
CMOS Inverter
N Well
VDD
PMOS
VDD 2
PMOS
Contacts
In
Out
In
Out
Metal 1
NMOS
Polysilicon
NMOS
GND
20
Two CMOS Inverters
Share power and ground
纵栅结构
Abut cells
VDD Connect in Metal
CMOS工艺
P+
VDD
Out In
GND
In
Layout
N+区 光 刻
VDD
M2 Out
VDD
M1
CMOS Inverter 9
Mask View
10
2、Design Rules
Interface between designer and process engineer Guidelines for constructing process masks Unit dimension: Minimum line width
VDD
Cell height 12 metal tracks
Metal track is approx. 3 + 3
Pitch =
repetitive distance between objects
Cell height is “12 pitch”
Out
2
In
Cell boundary
Rails ~10
Datapath Cells
For regular, structured designs (arithmetic) Includes some wiring in the cell Fixed height and width
26
Standard Cell Layout Methodology – 1980s
Color
Yellow Green Green Red Blue Magenta Black Black Black
Representation
12
Layers in 0.25 m CMOS process
13
Intra-Layer Design Rules
Same Potential
Well Active
3
2
2 2
17
Select Layer
2 3
1 3
2
5
Select 2
3
Substrate
Well
18
CMOS Inverter Layout
GND
In
VDD
A
A’
Out (a) Layout
A
A’
p-substrate n+
n p+
Field Oxide
(b) Cross-Section along A-A’
3、Mask Design
库单元设计 标准单元设计 门阵列设计 数据通路单元设计 存储器设计 其他单元设计：PAD、ESD
25
（1）Cell Design
Standard Cells
General purpose logic Can be synthesized Same height, varying width
Routing channel
VDD
signals
GND
27
Standard Cell Layout Methodology – 1990s
Mirrored Cell
No Routing
VDD
channels
VDD
M2
M3
Mirrored Cell
GND
GND
28
N Well
Standard Cells
photoresist removal (ashing)
photoresist coating
process step
spin, rinse, dry
acid etch
stepper exposure
photoresist development
8
a single photolithographic cycle (from [Fullman]).
GND 29
Standard Cells
With minimal diffusion routing
VDD With silicided diffusion
VDD
M2
Out
In
In
Out
In
M1
GND
VDD
Out GND 30
集成电路设计3-版图设计
版图设计的重要性
1
版图设计是集成电路制造过程中的关键环节，它 决定了集成电路的性能、功能和可靠性。
2
通过版图设计，可以将电路设计转化为实际制造 的物理结构，从而实现电路设计的目标。
3
版图设计的精度和质量直接影响到集成电路的性 能和制造良率，因此需要高度的专业知识和技能。
在芯片内部加入自测试模块，实现自动测试和 故障诊断。
可测性增强
通过增加测试访问端口和测试控制逻辑，提高芯片的可测性。
05
集成电路版图设计的挑 战与解决方案
设计复杂度挑战
总结词
随着集成电路规模不断增大，设计复杂 度呈指数级增长，对设计效率提出巨大 挑战。
VS
详细描述
随着半导体工艺的不断进步，集成电路设 计的规模越来越大，晶体管数量成倍增加 ，导致设计复杂度急剧上升。这不仅增加 了设计时间和成本，还对设计精度和可靠 性提出了更高的要求。
03
还需要考虑存储器的功耗和散热问题，以确保在各种应用场景下的稳 定运行。
04
高密度存储器版图设计需要具备高容量、高速、低功耗和高可靠性等 特点，以满足大数据、云计算等领域的需求。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
04
还需要考虑散热设计，以确保在高负载情况下CPU的 稳定运行。
案例二：低功耗MCU版图设计
低功耗MCU版图设计需要重点 关注功耗优化，采用低功耗工 艺和电路技术，如CMOS工艺
、低功耗逻辑门等。
还需要考虑低电压供电和电源 管理设计，以确保MCU在各种 应用场景下的稳定运行。
设计过程中需要优化芯片内部 结构和电路布局，降低芯片的
集成电路版图设计
02 集成电路版图设计基础
CHAPTER
电路设计基础
01
模拟电路设计
02
运算放大器
03
比较器
04
触发器
电路设计基础
01
数字电路设计
02
组合逻辑电路
时序逻辑电路
03
04
可编程逻辑电 路
版图设计基础
版图编辑软件 ICEDrawer
版图设计基础
01
Laker
02
P甩 Pro
版图设计规则
03
版图设计基础
管的形状和尺寸等。
案例二：低功耗模拟电路版图设计
总结词
通过优化模拟电路的版图设计，实现低功耗的目的， 以满足便携式电子设备和物联网等领域的需求。
详细描述
低功耗模拟电路版图设计需要考虑模拟电路的性能和 功耗等方面，同时还需要考虑噪声和失真等方面的因 素。为了实现低功耗的设计，需要采用优化的版图设 计方法，如使用低阻抗的走线、优化晶体管的形状和 尺寸等。
3
antenna effect simulation
物理验证基础 01
P/R/O/L/C分析
热学参数分析（T）
03
02
电学参数分析（P/R/O）
电磁兼容性分析（EMC）
04
03 集成电路版图设计技术
CHAPTER
逻辑电路版图设计
逻辑电路
逻辑电路是实现逻辑运算和逻辑控制的电路，分为组合逻 辑电路和时序逻辑电路。在版图设计中，需要考虑到电路 的复杂性、功耗、速度等因素。
提高芯片的可测试性。
可制造性版图设计实践
符合制造规范
遵循制造规范和流程，确保版图设计具有良好的可制 造性。
第14章版图设计基础(半导体集成电路共14章)讲解
AHDL
SPECTURE
逻辑图
寄存器传输级 描述 寄存器传输级 模拟与验证
综合 逻辑模拟 与验证
DC modelsim
SPICE/ SPECTURE
电路图
电路模拟 与验证
版图生成
CADENCE的Virtuso
APOLLO(自动)
版图几何设计规则和 电学规则检查
同右
网表一致性检 查和后仿真
4.PAD单元
PAD单元部分包括： （1）绑定金属线所需的 可靠连接区域 （2）ESD保护结构 （4）与内部电路相连的 接口 （3）输入、输出缓冲器
（1）绑定金属线所需的可靠连接区域
（2）ESD保护结构 ESD:ElectroStatic Discharge
输入I/O栅保护电路
其余ESD保护电路见P397
Dog Bone
接触孔 ：
CON.1 最大/最小接触孔尺寸 CON.2 接触孔最小间距 CON.3 CON.5 扩散区的接触孔与边沿的距 离 多晶硅栅上的接触孔到多晶 硅栅边界的距离 0.40x0.40
CON.5 CON.2 CON.3 CON.1 CON.6 CON.5 Legend Comp Poly 2 Contact
PAD 3.13 PAD.3.14
M3
Via2
M2
via1
M1
键合点（PAD）
PAD.1 PAD.2 PAD.3.1
宽度 间距 顶层金属四周覆盖键合点距离
70 30 2.5
说明：实际版图中的pad都是有保护电路的，且厂商会 提供经过若干次实验的电路。
二、版图设计步骤(人工)
版图检查与验证
总体版图
半导体 集成电路
集成电路版图设计
《集成电路版图设计》课内实验学院：信息学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：模拟集成电路版图设计集成电路版图是电路系统与集成电路工艺之间的中间环节，是一个不可少的重要环节。
通过集成电路的版图设计，可以将立体的电路系统变为一个二维的平面图形，再经过工艺加工还原于基于硅材料的立体结构。
因此，版图设计是一个上承的电路系统，下接集成电路芯片制造的中间桥梁，其重要性可见一斑。
但是，集成电路版图设计是一个令设计者感到困惑的一个环节，我们常常感到版图设计似乎没有什么规矩，设计的经验性往往掩盖了设计的科学性，即使是许多多年版设计经验的人有时候也说不清楚为何要这样或者那样设计。
在此，集成电路版图设计是一门技术，它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基础知识。
但它更需要设计者的创造性，空间想象力和耐性，需要设计者长期工作的经验和知识的积累，需要设计者对日异月新的集成电路发展密切关注和探索。
一个优秀的版图设计者对于开发超性能的集成电路是极其关键的。
在版图的设计和学习中，我们一直会面临匹配技术降低寄生参数技术熟悉电路作用（功能，频率）电流密度的计算（大电流和小电流的电流路径以及电流流向）等这些基本，它们也是最重要的问题。
版图的设计，从半导体制造工艺，到最后的后模拟过程都是非常关键的，里面所涉及的规则有1500——2000条，一些基本问题的解决方法和设计的调理化都将在下面提及。
模拟集成电路版图设计流程：阅读研究报告理解电路原理图了解电路的作用熟悉电流路径晶大小知道匹配器件明白电路中寄生，匹配，噪声的产生及解决方案对版图模块进行平面布局对整个版图进行平面布局熟练运用cadence软件进行版图绘制Esd的保护设计进行drc与lvs检查整理整个过程中的信息时刻做记录注意在设计过程中的交流集成电路制造工艺双极工艺：Cmos（p阱）工艺：版图设计经验总结：1 查看捕捉点设置是否正确.08工艺为0.1,06工艺为0.05,05工艺为0.025.2 Cell名称不能以数字开头.否则无法做DRACULA检查.3 布局前考虑好出PIN的方向和位置4 布局前分析电路，完成同一功能的MOS管画在一起5 对两层金属走向预先订好。
集成电路版图基础-CMOS版图篇01
沟道长度 L 电流方向
设计中，常以宽度和长度值的比例式即宽 长比（W/L）表示器件尺寸。 例：假设一MOS管，尺寸参数为20/5。则 在版图上应如何标注其尺寸。
20/5
3、图形绘制
英特尔65纳米双核处理器的扫描电镜(SEM)截面图
常用图层 版图图层名称 Nwell Active Pselect Nselect Poly cc Metal1 Metal2 Via 含义 N阱 有源扩散区 P型注入掩膜 N型注入掩膜 多晶硅 引线孔 第一层金属 第二层金属 通孔
“混合棒状图”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；
“×”代表引线孔。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。
反相器棒状图
电路图-棒状图-版图
a
b
练习
三输入与非门、或非门棒状图
注意：
不同软件对图层名称定义不同； 严格区分图层作用。
版图图层名称 cc（或cont） Via
含义 引线孔（连接金属与多晶硅 或有源区） 通孔（连接第一和第二层金 属）
MOS器件版图图层 ——PMOS
N阱——NWELL P型注入掩模——PSELECT 有源扩散区——ACTIVE 多晶硅栅——POLY 引线孔——CC 金属一——METAL1 通孔一——VIA 金属二——METAL2
MOS器件版图图层 ——NMOS
N型注入掩模——NSELECT 有源扩散区——ACTIVE 多晶硅栅——POLY 引线孔——CC 金属一——METAL1 通孔一——VIA 金属二——METAL2
集成电路原理-MOS集成电路的版图设计
1.08(ns)
整理课件
0.0330.001
2、导电层的选择
（1）VDD、VSS尽可能选用金属导电层，并适当增加连线宽 度，只有在连线交叉“过桥”时，才考虑其他导电层。 （2）多晶硅不宜用作长连线，一般也不用于VDD、VSS电源 布线。 （3）通常应使晶体管等效电阻远大于连线电阻，以避免出 现电压的“分压”现象，影响电路正常工作。
若要形成耗尽型NMOS器件，只需在第（5）、（6）步之间加 一道掩模版，进行沟道区离子注入。
NMOS工艺流程的实质性概括： P型掺杂的单晶硅片上生长一层厚SiO2。 MK1—刻出有源区或其他扩散区（薄氧化版/扩散版）。 MK2—形成耗尽型器件时，刻出离子注入区。 MK3—刻多晶硅图形（栅、多晶硅连线）。
以多晶硅栅为掩模，进行D、S的自对准扩散。 MK4—刻接触孔。 MK5—反刻 Al。 MK6—刻钝化孔（压焊点窗口）
共用到6道掩模版 整理课件
3、硅栅CMOS工艺 （1）P阱CMOS工艺流程 • MK1—P阱版，确定P阱深扩散区域（阱注入剂量11013cm-2，
能量60KeV） • MK2—确定薄氧化区，即有源区。 • MK3—多晶硅版。 • MK4—P+版，和MK2一起确定所有的P+扩散区域 （一般为B注入，41014cm-221015cm-2，6080KeV）。 • MK5—N+版，确定所有的N+区域
（4）通过掩模版MASK对光刻胶曝光 正胶被 UV曝光的部分分解， 影被 掉显 。 负胶曝光部分聚合 ，硬 不化 被显影掉。
整理课件
（5）刻有源区。 掩模版掩蔽区域下未被曝光的光刻胶 被显影液洗掉；再将下面的SiO2用HF 刻蚀掉，露出硅片表面。
（6）淀积多晶硅 除净曝光区残留的光刻胶（丙酮）， 在整个硅片上生长一层高质量的SiO2 （约1000Å），即栅氧，然后再淀积 多晶硅（12m）。
《集成电路版图设计》课件
了解各种元器件的工作原理是进行版图设计的基础，如晶 体管的工作原理涉及到载流子的运动和电荷的积累等。
元器件版图设计规则
在进行元器件版图设计时，需要遵循一定的设计规则，如 电阻的阻值计算、电容的容量计算等，以确保设计的准确 性和可靠性。
集成电路工艺
01 02
集成电路工艺流程
集成电路的制造需要经过多个工艺步骤，包括薄膜制备、光刻、刻蚀、 掺杂等，这些工艺步骤的参数和条件对集成电路的性能和可靠性有着重 要影响。
学生需要按照指导要求，完成集成电路版图设计实践任务，并
提交实践报告。
集成电路版图设计实践图设计
案例四
某混合信号集成电 路版图设计
案例一
某数字集成电路版 图设计
案例三
某射频集成电路版 图设计
案例五
某可编程逻辑集成 电路版图设计
集成电路版图设计实践经验总结
实践经验总结的重要性
特点
集成电路版图设计具有高精度、 高复杂度、高一致性的特点，需 要综合考虑电路功能、性能、可 靠性以及制造工艺等多个方面。
集成电路版图设计的重要性
01
02
03
实现电路功能
集成电路版图设计是将电 路设计转化为实际产品的 关键环节，是实现电路功 能的重要保障。
提高性能和可靠性
合理的版图设计可以提高 集成电路的性能和可靠性 ，确保产品在长期使用中 保持稳定。
DRC/LVS检查
进行设计规则检查和版图验证 ，确保版图设计的正确性和可 制造性。
布图输出
将版图数据输出到制造环节， 进行硅片的制作。
02
集成电路版图设计基础知识
半导体材料
半导体材料分类
半导体材料分为元素半导体和化合物半导体两大类，元素半导体包括硅和锗，化合物半导 体包括三五族化合物（如砷化镓、磷化镓等）和二六族化合物（如硫化镉、硒化镉等）。
集成电路版图设计报讲解
集成电路版图设计实验报告班级：微电1302班学号：1306090203姓名：李粒完成日期：2015年1月7日一、实验目的使用EDA工具cadence schematic editor,并进行电路设计与分析，为将来进行课程设计、毕业设计做准备，也为以后从事集成电路设计行业打下基础。
二、实验内容学习使用EDA工具cadence schematic editor，并进行CMOS反相器、与非门电路的设计与分析，切对反相器和与非门进行版图设计并进行DRC验证。
三、实验步骤（一）、cadence schematic editor的使用1、在terminal窗口→cd work//work指自己工作的目录→icfb&2、出现CIW窗口，点击在CIW视窗上面的工具列Tools→Library Manager3、建立新的Library①点击LM视窗上面的工具列File→New→Library②产生New Library窗口（在name栏填上Library名称，点击OK）③建立以0.6um.tf为technology file的new library“hwl”4、建立Cell view点击LW视窗的File→New→Cell view,按Ok之后，即可建立schematicView点击schematic视窗上面的指令集Add→Instance,出现AddInstance窗，再点击Add Instance视窗Browser，选择analoglib中常用元件①选完所选元件后，利用narrow wire将线路连接起来。
②加pin.给pin name且要指示input output inout，若有做layout层的话，要表示相同。
③点击nmos→q,标明model name，width，length同理for pmos.④最后Design→check and save .若有error则schematic View有闪动。
集成电路的版图设计
27
2. 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。
7
版图设计图例
Poly Diff Al con
Vdd
P阱
T2 W/L=3/1 Vi Vo T1 W/L=1/1 Vi Vo
Vss
8
MOS集成电路的版图设计规则
基本的设计规则图解
9
10
11
12
13
14
15
p.333
16
17
18
19
20
21
22
MK1
23
24
25
26
3
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。
Al Poly
diff
2
3
4
⑫ 接触孔： 孔的大小：22 diff、poly的包孔：1 孔间距：1
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。 46
集成电路版图设计
集成电路版图设计
集成电路版图设计是指将电子元器件（如晶体管、电阻、电容等）根据电路图的要求进行布局和连线的过程，实现电路功能并将其制作成一张版图以供电路的制造和生产。
集成电路版图设计主要包括以下几个步骤：
1. 电路分析：根据电路的功能及要求，进行电路分析，确定电路的基本结构和模块。
2. 元件选择：根据电路的功能和性能要求，选择合适的元件进行布局。
不同的元件具有不同的特性，如低噪声、快速开关、高频率等，需根据实际要求进行选择。
3. 布局设计：根据电路的结构和模块，将元件进行合理的布局。
布局的目的是使得电路平衡，减少干扰和噪声，并提高电路的稳定性和可靠性。
4. 连线设计：根据电路的功能要求，将各个元件进行连线，形成完整的电路。
连线的设计需要合理安排电路信号的传输路径，避免信号干扰和交叉干扰。
5. 优化设计：对布局和连线进行优化，以提高电路的性能。
例如，优化连线的长度和宽度，减少信号延迟和功耗。
6. 输出版图：将优化后的电路设计转化成计算机可识别的格式，并输出成版图文件。
版图文件可以用于电路的制造和生产。
集成电路版图设计的目的是在满足电路功能要求的前提下，使电路布局和连线达到最佳性能。
对于大规模集成电路（VLSI）设计，还需要考虑功耗、热量和信号完整性等因素，以实现高集成度和高性能的电路设计。
随着技术的不断发展，集成电路版图设计也在不断演进，从传统的手工设计发展到计算机辅助设计（CAD）和自动化设计（EDA），大大提高了设计效率和准确性。