1、2007级微电子1集成电路版图设计基础集成电路版图设计基础 basics of IC layout designinstructor:Jiang Haoe-mail:2007级微电子21工艺流程的定义 版图中的工艺层通常是版图设计者定义版图中的工艺层通常是版图设计者定义工艺的抽象工艺层，它们并不一一对应于芯片工艺的抽象工艺层，它们并不一一对应于芯片制造时所需要的掩膜层制造时所需要的掩膜层。芯片制造时所需要的芯片制造时所需要的掩膜层是由抽象工艺层给出的版图数据经过逻掩膜层是由抽象工艺层给出的版图数据经过逻辑操作（辑操作（“与与”、“或或”或或“取反取反”）获得。）获得。2007级微电子3nFea
2、ture size L=0.18umnVDD 1.8V/2.5VnDeep NWELL to reduce substrate noisenMIM capacitor(1fF/um2)nThick-top-metal for inductorn6 Metal 1 PolynPolycide resistor(7.5 Ohm/sq)nHigh N/P implant resistor(59 Ohm/sq,133 Ohm/sq)nM1-M5(78 mOhm/sq)Thick-top-metal(18 mOhm/sq)4n芯片加工：从版图到裸片制版加工是一种多层平面“印刷”和叠加过程，但中间是否会带
3、来误差？2 版图几何设计规则2023-1-27集成电路设计基础5设计规则n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特定的规则的规则。n这些规则是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点工艺特点和技术水平技术水平而制定的。n因此不同的工艺，就有不同的设计规则。2023-1-27集成电路设计基础6厂家提供设计规则n设计者只能根据厂家提供的设计规设计者只能根据厂家提供的设计规则进行版图设计则进行版图设计。n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。2023-1-27集成电路设计基础7版图几何设计规则版图几何设计规则n版
4、图几何设计规则可看作是对光刻掩模版制版图几何设计规则可看作是对光刻掩模版制备要求。备要求。n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。2023-1-27集成电路设计基础8设计规则与性能和成品率之间的关系n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。n规则越保守，能工作的电路就越多(即成品率越高)。n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。2023-1-27集成电路设计基础9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：以以微米分辨率微米分辨率来规
5、定的微米规则来规定的微米规则 以以特征尺寸为基准的特征尺寸为基准的规则规则 2023-1-27集成电路设计基础10版图几何设计规则版图几何设计规则n层次层次 人们把设计过程抽象成若干易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层次代表线路转换成硅芯片时所必需的掩模图形。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。2023-1-27集成电路设计基础11版图几何设计规则版图几何设计规则层次表示 含义 标示图 NWELL N阱层 Locos N+或P+有源区层 Poly 多晶硅层 Contact 接触孔层 Met
6、al 金属层 Pad 焊盘钝化层 NWELL硅栅的层次标示 2023-1-27集成电路设计基础12版图几何设计规则版图几何设计规则nNWELL层相关的设计规则 编 号描 述尺 寸目的与作用1.1N阱最小宽度10.0保证光刻精度和器件尺寸1.2N阱最小间距10.0防止不同电位阱间干扰1.3N阱内N阱覆盖P+2.0保证N阱四周的场注N区环的尺寸1.4N阱外N阱到N+距离8.0减少闩锁效应2023-1-27集成电路设计基础13 版图几何设计规则版图几何设计规则nN阱设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础14 版图几何设计规则版图几何设计规则n P+、N+有源区相关的设计规则列表 编 号描
7、 述尺 寸目的与作用2.1P+、N+有源区宽度3.5保证器件尺寸，减少窄沟道效应2.2P+、N+有源区间距3.5减少寄生效应2023-1-27集成电路设计基础15版图几何设计规则版图几何设计规则nP+、N+有源区设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础16版图几何设计规则版图几何设计规则nPoly相关的设计规则列表 编 号描 述尺 寸目的与作用3.1多晶硅最小宽度3.0保证多晶硅线的必要电导3.2多晶硅间距2.0防止多晶硅联条3.3与有源区最小外间距1.0保证沟道区尺寸3.4多晶硅伸出有源区1.5保证栅长及源、漏区的截断3.5与有源区最小内间距3.0保证电流在整个栅宽范围内均匀流动2
8、023-1-27集成电路设计基础17版图几何设计规则版图几何设计规则nPoly相关设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础18版图几何设计规则版图几何设计规则n Contact相关的设计规则列表 编 号描 述尺 寸目的与作用4.1接触孔大小2.0 x2.0保证与铝布线的良好接触4.2接触孔间距2.0保证良好接触4.3多晶硅覆盖孔1.0防止漏电和短路4.4有源区覆盖孔1.5防止PN结漏电和短路4.5有源区孔到栅距离1.5防止源、漏区与栅短路4.6多晶硅孔到有源区距离1.5防止源、漏区与栅短路4.7金属覆盖孔1.0保证接触，防止断条2023-1-27集成电路设计基础19版图几何设计规则版
9、图几何设计规则ncontact设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础20 版图几何设计规则版图几何设计规则nMetal相关的设计规则列表 编 号描 述尺 寸目的与作用5.1金属宽度2.5保证铝线的良好电导5.2金属间距2.0防止铝条联条2023-1-27集成电路设计基础21 版图几何设计规则版图几何设计规则nMetal设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础22 版图几何设计规则版图几何设计规则nPad相关的设计规则列表 编 号描 述尺 寸目的与作用6.1最小焊盘大小90封装、邦定需要6.2最小焊盘边间距80防止信号之间串绕6.3最小金属覆盖焊盘6.0保证良好接触6.4焊
10、盘外到有源区最小距离25.0提高可靠性需要2023-1-27集成电路设计基础23版图几何设计规则版图几何设计规则nPad设计规则示意图 2023-1-27集成电路设计基础24 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。2007级微电子25所设计方向器的版图：2007级微电子26加工后得到的实际芯片例子：2007级微电子27n加工过程中的非理想因素q制版光刻的分辨率问题q多层版的套准问题q表面不平整问题q流水中的扩散和刻蚀问题q梯度效应2007级微电子28解决办法n厂家提供的几何设计规则(topological design rule)，确保完成设计功能和一定的芯片成品率，这些设计规则直接由流片厂家提供。几何设计规则是版图设计和工艺之间的接口。n设计者的设计准则(rule for performance)，用以提高电路的某些性能，如匹配，抗干扰，速度等2007级微电子29设计规则的运用nTASK1：设计一个反相器的版图，其中的NMOS和PMOS晶体管均为最小尺寸（课堂演示+学生练习）
