第六章 MOS电路版图设计

(3) 根据静态功耗的要求
ML
来确定负载管最大的W/L 。
Vi Vo
(4) 根据上述结果最终
VDD
MI
确定负载管和等效输
入管的W/L 。
F VDD
(5) 根据输入结构和
MD
等效输入管的W/L确 A B C 定每个输入管的W/L 。
Vi MEVo
6.1.1 MOS管宽长比(W/L)的确定
2. CMOS逻辑门电路
选上升和下降时间都是300ns.
§6-2 版图的布局布线
思考题
1. 布局布线的策略是什么？ 2. 复用单元设计有什么好处？
6.2.1 布局 1.布局的基本原则
芯片的布局设计是要解决电路图或逻辑 图中的每个元件、功能单元在版图中的位置 摆布、压焊点分布、电源线和地线以及主要 信号线的走向等。
理是什么？
6.4.1 MOS电路抗静电设计的必要性
VDD
在测试、封装和使用过程 中来自人体或设备的静电可达 pad
MP
几千伏以上，而 MOS器件的栅
MN
氧化层很薄，面积很小，绝缘
VSS
性能又很好，因此静电电荷形 成很高的电压足以使栅氧化层 击穿，使器件失效。因此，采
VDD
MP pad
用抗静电保护设计措施是MOS
6.5.1全定制（full-custom)设计方法 3.版图举例
高全手 性定表 能制芯 16芯片 位片 的 局 部 版 图
标准单元dffps
CPU
6.5.2标准单元（Standard Cell）设计方法
1.概念
电路基本单元及各种I/O单元都按一定的标 准、依据特定工艺、由专门人员预先设计好存 放于一个统一的库中，称为标准单元库。
6.4.5 双极晶体管保护电路
1.
基本原理 利用横向NPN和PNP的
VDD 正向导通或CE穿通来完成
R1
静电泄放。
pad
MP
横向NPN和PNP应能
R
承受足够大的电流，采用
MN 抗闩锁的保护环结构。
R2
R为N+电阻，起延迟、
缓冲作用。R1、R2为衬底 VSS 寄生电阻。
6.4.5双极晶体管保护电路 2.版图示例
6.3.3 内部电路的抗闩锁设计 版图示例1 dffpr
6.3.3 内部电路的抗闩锁设计 版图示例2
6.3.3 内部电路的抗闩锁设计 版图示例3
6.3.4 芯片外围电路的抗闩锁设计
外围电路主要是指输入/输出单元电路， 一方面易受高压影响，另一方面工作电流 很大。因此，极易发生闩锁效应，通常都 采用双环保护结构，而且保护环上要充分 开孔，用金属线直接连到电源或地上。
根据VOL的要求，确定最小R 。
ML
Vi
VOL
(VDD VTL )2 2R(VOHVTI)
E/E饱和负载
Vo MI
VOL
VTD 2 2R(VOHVTE)
E/D
(2) 根据负载CL情况和速度要求(tr 和tf) 确定负载管和等效输入管的 最小W/L 。
VDD MD
Vi MEVo
6.1.1 MOS管宽长比(W/L)的确定 1. NMOS逻辑门电路（续） VDD
6.2.1 布局 2.布局示例2 存储器模块
读写 控制
地址 译码
输入输出 SRAM存储矩阵
6.2.2 布线 1. 布线基本原则
最常用的布线层有金属、多晶硅和扩 散区，其寄生电阻和寄生电容有所不同。
电源线、地线选择金属层布线，线宽要 考虑电流容量（一般1mA/m)。
长信号线一般选择金属层布线，应尽量 避免长距离平行走线。
W , L VNM Pd f
参数 Vdd VNL VNH CL f
VTN VTP tox µn µp L
设计指标
单位 V 3 3 PF MHz
最小值 9.5
V V Å cm2/ V.s cm2/ V.s µm
1.0 -3.5 1500 280 160
典型值 10
10
最大值 10.5
15 1 1.5 -3.0 1700 290 180
(1)根据已确定的W/L 和L的值来确定W的值。
(2)对于窄沟（长沟）器件，应根据工艺水平 先考虑确定沟道宽度W，然后再根据已确定 W/L的值来确定L的值。
L
W
6.1.4 MOS管源漏区尺寸的确定 一般是根据MOS管的沟道宽度W和相 关的设计规则来确定源漏区最小尺寸。源 漏区尺寸越小，寄生电容以及漏电就越小。 对于W/L较大的器件一般采用叉指状 图形。
MOS管的源漏区具 有可互换性。
CMOS门电路设计举例
• 设计一个双输入端与非门 • 设计考虑四个方面： • 1，高低电平不用考虑； • 2，以工作频率为依据，根据速度和工艺水
平选W/L； • 3，根据W，L校验VNL和VNH； • 4，整个设计均从最坏情况入手。 设计过程是：
f tr ,t f p,n kp.kn
MN
电路得以应用发展的必要前提。 VSS
6.4.2 MOS电路抗静电设计思想 抗静电设计就是在电路的端口增设保
护电路，使得静电电荷形成的高压在到达 正常电路之前，通过保护电路将静电电荷 泄放掉，而保护电路自身也不被损坏。
（1）保护电路不能影响正常电路的功能； （2）保护电路放电电阻尽可能小； （3）放电回路能承受高的瞬态功耗； （4）保护电路应有抗闩锁能力； （5）保护电路占用尽可能小的芯片面积。
触发的必要条件：
寄生可控硅一
1.两个发射结均正偏 2.βnpn*βpnp> 1
旦被触发，电流巨 增，将烧毁芯片。
3.IPower>IH
VDD
Vi
VDD
Vo
Rw IRw
VO
GND
N-
n+ N-阱 P-Sub
p+ p+ RW
n+ n+ p+ RS
P-
VO
IRs
Rs
GND
6.3.2 抗闩锁设计的基本原则
6.4.3电阻-二极管保护电路
1. 基本R原1为理多晶电阻，起限流作用，
VDD 防止放电电流过大（一般在
Dp1 pad R1 R2
1K左右）。 MP Dp1 、Dn1是用N+、P+扩散
区分别与阱和衬底形成的二
Dn1
MN 极管，起电压箝位和电荷泄 放作用。面积一般设计为
Dn2 VSS 1000m2左右，并采用抗闩
通过排序优化可以提高速度，减小漏电。
A
BC
D
OUT
D
A
BC
OUT
OUT
OUT
GND
GND
6.2.3 优化设计 3. 宽沟器件的优化设计
(1)宽沟器件可以由 多个器件合成，方便 布局布线，减小栅极 电阻。
(2)宽沟器件源漏区 开孔要充分，提高沟 道特性的一致性（尤 其是模拟电路）。
6.2.3 优化设计 4. 复用单元的设计
（1）减小RS和RW ：均匀且充分设计阱和衬 底的电源和地的欧姆接触，并用金属线连接，
必要时采用环结构。
（2）减小βnpn和βpnp ：加大MOS管源漏区 距阱边界的距离，必要时采用伪收集极结构。
Vi
VDD
Vo
Vi GND
n+ p+ p+
RW P-Sub
n+ N-阱
n+ p+ n+ n+ p+ N-阱
(2) 对于CMOS传输门，一般应当考虑NMOS 管和PMOS管特性的对称性。
6.1.2 MOS管沟道长度(L)的确定
(1)要考虑MOS管的耐压能力，
L
一般MOS管的击穿电压由源
漏穿通电压决定：
W
BVDSP=qNBL2/2osi
ห้องสมุดไป่ตู้
(2)要考虑工艺水平。 (3)要考虑沟道长度调制效应对特性的影响。
6.1.3 MOS管沟道宽度(W)的确定
6.4.4 MOS晶体管保护电路
1. 基本原理
VDD
利用保护管NMOS和 PMOS的饱和导通或沟道穿
通效应以及漏极寄生二极管
pad
MP 完成静电泄放。
R
保护管W/L要足够大以
便获得小的导通电阻，并采 MN 用抗闩锁的保护环结构。
R为N+电阻，起延迟、缓冲
VSS 作用。
6.4.4 MOS晶体管保护电路 2.版图示例
RS
6.3.3 内部电路的抗闩锁设计
(1)内部一般电路工作电压低，工作电流小， 一般采用的方法是：充分且均匀地布置P型 衬底电源的欧姆接触孔和N型衬底地的欧姆 接触孔，用金属线直接连接到电源或地。
(2) 工作电流较大的器件（单元）或状态同 步转换集中的模块，一般采用保护环（N+ 环或P+环）的结构。
将常用结构的
Active Contact
组合图形（包括电
路单元）按设计规 则要求设计为可复
Poly Via1 Contact
PAD
用的单元，供设计 过程中调用，
减少设计错 误，并便于 修改。
§6-3 CMOS电路的抗闩锁设计
思考题
1. 什么是闩锁效应？它有什么危害？ 2. 如何消除闩锁效应？
6.3.1 CMOS电路中的闩锁效应
§6-5 版图设计方法
思考题
1.集成电路芯片设计有那些方法？各 种方法的优缺点时什么？
6.5.1全定制（full-custom)设计方法
1.概念及特点
利用人机交互图形系统，由版图设计者针 对具体电路和具体要求，从每个器件的图形、 尺寸开始设计，直至整个版图的布局布线。
可获得最佳的电路性能和最小的芯片尺寸， 有利于提高集成度和降低生产成本，适用于通 用芯片和高性能芯片的设计以及库单元的设计。
(3) 根据上述结果最终确定等效的 Vi PMOS管和NMOS管的最小W/L。
(4) 根据电路结构和等
VDD
效的W/L确定每个管
A
的W/L 。
B
无比电路VOL与o无关 nor2
VDD MP
Vo MN
F
6.1.1 MOS管宽长比(W/L)的确定 3. 传输门电路
(1)MOS的W/L直接影响传输门的导通电阻， 因而影响传输速度。因此，根据传输速 度的要求（考虑负载情况和前级驱动情 况）来确定MOS管的W/L.
VDD
(1) 根据抗干扰能力(噪声容限、
MP
输入转折电压V*)确定0范围。
Vi Vo MN
V*
=
VDD+ VTP +VTN 1 + o
o
VDD VO
(2) 根据负载CL情况和速度 要求(tr和tf) 确定等效的
o增大
PMOS管和NMOS管的最小
W/L 。
0
V* VDVDi
6.1.1 MOS管宽长比(W/L)的确定 2. CMOS逻辑门电路（续）
第六章 MOS电路版图设计
§6-1 MOS管图形尺寸的设计
思考题
1. MOS管沟道的宽长比(W/L)如何确定？ 2. MOS管沟道的宽度(W)和长度(L)如何
确定？ 3. MOS管源漏区尺寸如何确定？
6.1.1 MOS管宽长比(W/L)的确定
1. NMOS逻辑门电路
(1)NMOS逻辑门电路是有比电路， VDD
首先确定电路中主要单元（元件）的位 置，再以主要单元为中心安置次主要单元和 次要单元。
相关单元（包括压点）要尽量靠近，以 主要单元为主调整单元（器件）的形状和位 置，方便布线，缩短布线。
6.2.1 布局 2.布局示例1 电子表芯片
液晶显示译码电路
定时电路
比较电路
报 时
走时电路
驱
动
分频电路
振荡器
调节控制电路
6.3.4 芯片外围电路的抗闩锁设计 双环结构示意图
电 地源
电
电
源 地 源地
电 地源
PNP P N PNPNN PN
N阱
P衬底
6.3.4 芯片外围电路的抗闩锁设计 输出驱动单元局部版图示例
§6-4 MOS电路的抗静电设计
思考题
1. MOS电路为什么要有抗静电设计？ 2. 对静电保护电路有何要求？ 3. 静电保护电路由那些形式？保护原
芯片设计者只要根据电路的逻辑网表及设 计约束条件，用相关软件调用标准库中的单元 进行布局布线，即可快速形成最终的芯片版图。
由于标准单元库是预先设计好的，不是为 某个芯片专门设计的，因此称为半定制设计方 法（semi-custom design approach）
6.5.2标准单元（Standard Cell）设计方法 2.特点
缺点是设计周期长、设计费用高，同时要 求设计者具有相当深入的微电子专业知识和丰 富的设计经验。
6.5.1全定制（full-custom)设计方法 2.常用的CAD工具
人机交互图形编辑 设计规则检查（DRC） 电学规则检查（ERC） 版图参数提取（LPE） 版图与电路图一致性检查（LVS） 电路仿真（spice等）
锁的保护环结构。
6.4.3电阻-二极管保护电路
1. 基本原理（续）
VDD
R2为N+电阻，起延迟、 缓冲作用，防止外来高
Dp1 pad R1 R2
MP 电压直接作用于MOS管 的栅极。阻值一般在几
Dn1
MN
Dn2 VSS
十左右。 Dn2是R2形成的寄生二极 管，起到进一步的保护 作用。
6.4.3电阻-二极管保护电路 2. 版图示例
多晶硅布线和扩散区布线不能交叉而 且要短。必须用多晶硅走长线时，应同时 用金属线在一定长度内进行短接。
6.2.2 布线 2. 布线示例
6.2.3 优化设计 1. 源漏区面积优化
相邻同型MOS
管源漏区相连接时
采用有源区直接连
1
2
接可以减小源漏区
面积，减小寄生电
容和漏电，也减小
了芯片面积。
6.2.3 优化设计 2. 器件排序优化