集成电路版图设计_第1章 集成电路材料
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集成电路版图设计(适合微电子专业)
①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。
功能设计 设 计 逻辑设计 电路设计 功能图 逻辑图 电路图 符号式版图 , 版图
图
版图设计
12
举例：
功能描述 x=a’b+ab’ 的逻辑图
13
CMOS与非门的电路图
14
场SiO2
栅SiO2 栅SiO2
CMOS反相器的掩膜版图
15
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
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。
超大规模集成电路CAD 第一章 VLSI设计的概述教材
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 பைடு நூலகம் 索
差））
1952 年，英国皇家雷达研究所的达默第一次提出“集成电 路”的设想； 1958年美国德克萨斯仪器公司基尔比为首的小组研制出世 界上第一块集成电路了双极性晶体管（由12个器件组成的 相移振荡和触发器集成电路），并于1959年公布—这就是 世界上最早的集成电路，是现代集成电路的雏形或先驱 ； （基尔比于2000年获得诺贝尔物理学奖） 1960年成功制造出MOS管集成电路； 1965年戈登· 摩尔发表预测未来集成电路发展趋势的文章， 就是“摩尔定律”的前身； 1968年Intel公司诞生。
2019/4/12 4
第1章 VLSI概述
集成电路的发展除了物理原理外还得益于许多新工艺的 发明：
50年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺； 56年美国人富勒发明的扩散工艺； 60年卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺； 60年kang和Atalla研制出第一个硅MOS管； 70年斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺，使晶体管从点接触 结构向平面结构过渡并给集成电路工艺提供了基本的技术支持。 因此，从70年代开始，第一代集成电路才开始发展并迅速成熟。
图1 – 1 “点接晶体管放大器” 2019/4/12 3
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
第1章 VLSI概述
1948年，威廉· 肖克莱（William Shockley)—“晶体管之 父” ，提出结型晶体管的想法； 1951年，威廉· 肖克莱领导的研究小组成功研制出第一个可 靠的单晶锗NPN结型晶体管；（温度特性差、提纯度差、表面防护能力差(稳定性
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差））
1952 年，英国皇家雷达研究所的达默第一次提出“集成电 路”的设想； 1958年美国德克萨斯仪器公司基尔比为首的小组研制出世 界上第一块集成电路了双极性晶体管（由12个器件组成的 相移振荡和触发器集成电路），并于1959年公布—这就是 世界上最早的集成电路，是现代集成电路的雏形或先驱 ； （基尔比于2000年获得诺贝尔物理学奖） 1960年成功制造出MOS管集成电路； 1965年戈登· 摩尔发表预测未来集成电路发展趋势的文章， 就是“摩尔定律”的前身； 1968年Intel公司诞生。
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第1章 VLSI概述
集成电路的发展除了物理原理外还得益于许多新工艺的 发明：
50年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺； 56年美国人富勒发明的扩散工艺； 60年卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺； 60年kang和Atalla研制出第一个硅MOS管； 70年斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺，使晶体管从点接触 结构向平面结构过渡并给集成电路工艺提供了基本的技术支持。 因此，从70年代开始，第一代集成电路才开始发展并迅速成熟。
图1 – 1 “点接晶体管放大器” 2019/4/12 3
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第1章 VLSI概述
1948年，威廉· 肖克莱（William Shockley)—“晶体管之 父” ，提出结型晶体管的想法； 1951年，威廉· 肖克莱领导的研究小组成功研制出第一个可 靠的单晶锗NPN结型晶体管；（温度特性差、提纯度差、表面防护能力差(稳定性
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第1章集成电路设计导论
第1章 集成电路设计导论
1、微电子（集成电路）技术概述 2、集成电路设计步骤及方法
1
集成电路设计步骤
➢ “自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设 计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统 设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数 字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法 。
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
标准单元法也存在不足：பைடு நூலகம்
(1) 原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时， 单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时 间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2) 成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因 而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。
不满足 后仿真
满足
VLS流I数片、字封I装C、的测设试 计流图
功能要求
系统建模 （Matlab等）
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
模流拟片、IC封的装、设测计试 流图
3
集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）
1、微电子（集成电路）技术概述 2、集成电路设计步骤及方法
1
集成电路设计步骤
➢ “自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设 计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统 设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数 字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法 。
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
标准单元法也存在不足：பைடு நூலகம்
(1) 原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时， 单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时 间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2) 成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因 而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。
不满足 后仿真
满足
VLS流I数片、字封I装C、的测设试 计流图
功能要求
系统建模 （Matlab等）
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
模流拟片、IC封的装、设测计试 流图
3
集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）
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。
集成电路CAD版图设计PPT课件
度是妥协和折中的结果。因此在完成布图规划和布 局之后，还需要预估块内和块间电容，这样可以更 精确的估计每个逻辑单元的驱动电容，进而达到逻 辑综合优化。 • 实际上，何为布局最佳只是个相对的概念。通常的 布局需要进行人机交互处理，把人的经验代入进行 布局。 • 一般先进行初始布局，然后进行布局的迭代改善。
• 在两维空间中,两点,之间的距离通常用两点间距离的 欧几里德距离公式表示 ,而在集成电路的连线通常是 横线和竖线而不采用斜线，因此求距离不能用欧几 里德距离公式，而用曼哈顿距离表示。
• 反映了一个线网的所有节点的结构图被称为树，树 也是线网中各节点间距离的体现形式之一。
d(x1x2)2(y1y2)2
d｝，A=｛a，b｝； （4）选b，∵Con(Ai，a)=0； （5）检查，若满足条件，有Ai=｛c，d ， b ｝，A=｛a｝； （6）选a并检查，测定满足条件，则Ai=｛c，d ， b， a｝，A=ɸ； （7）输出划分结果Ai=｛c，d ， b， a｝。
15
16
• I/O和电源规划 • 时钟规划
5
布图的分级
• Top down的布图设计一般都是分级设计， 布图规划是是一个软件的划分过程，主 要针对软模块（网表）；而布局是针对 全部硬模块，并且是Bottom up的布图设 计，它可以是分级设计，也可以不是分 级设计。
6
• 在分级设计中，芯片由各级模块组成。芯片为 最高一级模块，高一级模块由若干个低一级模 块组成。最低一级的是基本单元。
Am，满足条件：
A im i1 A iA j A s即 iA 1 j A i2 , j 1 ,2,A 3m ,m A S
10
• 一个划分出的子电路 A i ，有对应的面 积 S(Ai ) 及端子数 E(Ai ) 。每一个划分有一 定的约束条件，即每个子电路的最大面 积 S max 和最大端子数 E max ，所有划分要 符合：
• 在两维空间中,两点,之间的距离通常用两点间距离的 欧几里德距离公式表示 ,而在集成电路的连线通常是 横线和竖线而不采用斜线，因此求距离不能用欧几 里德距离公式，而用曼哈顿距离表示。
• 反映了一个线网的所有节点的结构图被称为树，树 也是线网中各节点间距离的体现形式之一。
d(x1x2)2(y1y2)2
d｝，A=｛a，b｝； （4）选b，∵Con(Ai，a)=0； （5）检查，若满足条件，有Ai=｛c，d ， b ｝，A=｛a｝； （6）选a并检查，测定满足条件，则Ai=｛c，d ， b， a｝，A=ɸ； （7）输出划分结果Ai=｛c，d ， b， a｝。
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• I/O和电源规划 • 时钟规划
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布图的分级
• Top down的布图设计一般都是分级设计， 布图规划是是一个软件的划分过程，主 要针对软模块（网表）；而布局是针对 全部硬模块，并且是Bottom up的布图设 计，它可以是分级设计，也可以不是分 级设计。
6
• 在分级设计中，芯片由各级模块组成。芯片为 最高一级模块，高一级模块由若干个低一级模 块组成。最低一级的是基本单元。
Am，满足条件：
A im i1 A iA j A s即 iA 1 j A i2 , j 1 ,2,A 3m ,m A S
10
• 一个划分出的子电路 A i ，有对应的面 积 S(Ai ) 及端子数 E(Ai ) 。每一个划分有一 定的约束条件，即每个子电路的最大面 积 S max 和最大端子数 E max ，所有划分要 符合：
《基于Tanner的集成电路版图设计技术》课件第一章 集成电路设计前沿技术
围绕移动互联网、信息家电、物联网、云计算、智能电网、智能监 控等战略性新兴产业和重点领域的应用需求，集成电路涵盖了智能终端 芯片、网络通信芯片、信息安全芯片、视频监控设备芯片、数字电视芯 片等类型芯片。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.3 我国集成电路设计行业发展情况
我国集成电路设计行业的起步较晚，但是发展速度很快，过去10年 的年复合增长率达到了29%。2004~2014年中国集成电路设计企业销售额 及增速，如图1.2所示。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.1 集成电路设计行业概况
集成电路设计行业是集成电路行业的子行业，集成电路行业包括集 成电路设计业、集成电路制造业、集成电路封装业、集成电路测试业、 集成电路加工设备制造业、集成电路材料业等子行业。集成电路设计行 业处于产业链的上游，主要根据终端市场的需求设计开发各类芯片产品， 兼具技术密集型和资金密集型等特征，对企业的研发水平、技术积累、 研发投入、资金实力及产业链整合运作能力等均有较高的要求。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.3 我国集成电路设计行业发展情况
2015年排名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
厂商 Qualcomm OSR Avago/Broadcom
MTK Nvidia AMD Hisilicon（海思） Apple/TSMC Marvell Xilinx Spreadtrum（紫光展讯） 合计
1.2集成电路设计行业概况
1.2.2 集成电路设计行业的市场分类
集成电路按照应用领域大致分为标准通用集成电路和专用集成电路。 其中标准集成电路是指应用领域比较广泛、标准型的通用电路，如存储 器（DRAM）、微处理器（MPU）及微控制器（MCU）等；专用集成电 路是指某一领域会某一专门用途而设计的电路，系统集成电路（SoC） 属于专用集成电路。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.3 我国集成电路设计行业发展情况
我国集成电路设计行业的起步较晚，但是发展速度很快，过去10年 的年复合增长率达到了29%。2004~2014年中国集成电路设计企业销售额 及增速，如图1.2所示。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.1 集成电路设计行业概况
集成电路设计行业是集成电路行业的子行业，集成电路行业包括集 成电路设计业、集成电路制造业、集成电路封装业、集成电路测试业、 集成电路加工设备制造业、集成电路材料业等子行业。集成电路设计行 业处于产业链的上游，主要根据终端市场的需求设计开发各类芯片产品， 兼具技术密集型和资金密集型等特征，对企业的研发水平、技术积累、 研发投入、资金实力及产业链整合运作能力等均有较高的要求。
1.2集成电路设计行业概况
1.2.3 我国集成电路设计行业发展情况
2015年排名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
厂商 Qualcomm OSR Avago/Broadcom
MTK Nvidia AMD Hisilicon（海思） Apple/TSMC Marvell Xilinx Spreadtrum（紫光展讯） 合计
1.2集成电路设计行业概况
1.2.2 集成电路设计行业的市场分类
集成电路按照应用领域大致分为标准通用集成电路和专用集成电路。 其中标准集成电路是指应用领域比较广泛、标准型的通用电路，如存储 器（DRAM）、微处理器（MPU）及微控制器（MCU）等；专用集成电 路是指某一领域会某一专门用途而设计的电路，系统集成电路（SoC） 属于专用集成电路。
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
集成电路设计.pptx
双极晶体管和MOS晶体管都可用作有源电阻
MOS管有源电阻器
IDS I
I
VGS V VTP
DI
O
S
+
G+
G
V -
V-
O
I
S
D
VTN V VGS
IDS
(a)
(b)
MOS有源电阻及其I-V曲线
第23页/共66页
晶体管有源寄生电阻
双极晶体管集电区电阻 集成电路中集电区电阻Rc要比分立管的大。Rc的增大 会影响高频特性和开关性能。
第2页/共66页
Tox
N+
P
sio2
金 属
NP金s+io属2
纵向结构
横向结构
MOS 电容电容量
Cox=
Aε0 εsio2
Tox
Tox: 薄氧化层厚度；A: 薄氧化层上 金属电极的面积。
一般在集成电路中Tox 不能做的太薄，所以要想提高电容量，只能增加面积。 N+层为 了减小串联电阻及防止表面出现耗尽层。
集成电路中要制作一个30 pF的MOS电容器， 所用面积相当于25个晶体管的面积。
第3页/共66页
MOS电容 N+
SiO2 P+
AL
N+ N-epi
P-SUB
Al P+
第4页/共66页
❖ PN结电容 在PN结反偏时的势垒电容构成的电容器
❖ PN结电容与 MOS电容的数量级相当。
+
-
N+
P
N
外
P衬
第39页/共66页
第40页/共66页
CMOS反 相器工作 原理
输入端高电平时：
MOS管有源电阻器
IDS I
I
VGS V VTP
DI
O
S
+
G+
G
V -
V-
O
I
S
D
VTN V VGS
IDS
(a)
(b)
MOS有源电阻及其I-V曲线
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晶体管有源寄生电阻
双极晶体管集电区电阻 集成电路中集电区电阻Rc要比分立管的大。Rc的增大 会影响高频特性和开关性能。
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Tox
N+
P
sio2
金 属
NP金s+io属2
纵向结构
横向结构
MOS 电容电容量
Cox=
Aε0 εsio2
Tox
Tox: 薄氧化层厚度；A: 薄氧化层上 金属电极的面积。
一般在集成电路中Tox 不能做的太薄，所以要想提高电容量，只能增加面积。 N+层为 了减小串联电阻及防止表面出现耗尽层。
集成电路中要制作一个30 pF的MOS电容器， 所用面积相当于25个晶体管的面积。
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MOS电容 N+
SiO2 P+
AL
N+ N-epi
P-SUB
Al P+
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❖ PN结电容 在PN结反偏时的势垒电容构成的电容器
❖ PN结电容与 MOS电容的数量级相当。
+
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N+
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外
P衬
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第40页/共66页
CMOS反 相器工作 原理
输入端高电平时：