电路设计论坛—集成电路设计基础

2013-7-26
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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。
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5.4 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。
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电学设计规则描述
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电学设计规则描述
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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。
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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。
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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。
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版图几何设计规则
N阱设计规则示意图
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版图几何设计规则
P+、N+有源区相关的设计规则列表
编 号 描 述 尺 寸
3.5
目的与作用
2.1
P+、N+有源区宽度
保证器件尺寸，减少窄沟道效 应
2.2
P+、N+有源区间距
3.5
减少寄生效应
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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。
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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。
第5章 集成电路版图பைடு நூலகம்计
5.1 引言 5.2 版图几何设计规则 5.3 电学设计规则 5.4 布线规则 5.5 版图设计及版图验证
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5.1 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。
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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。
版图几何设计规则
NWELL层相关的设计规则
编 号 描 述 尺 寸 目的与作用
1.1
N阱最小宽度
10.0
保证光刻精度和器件尺寸
1.2
N阱最小间距
10.0
防止不同电位阱间干扰
1.3
N阱内N阱覆盖P+
2.0
保证N阱四周的场注N区环的尺寸
1.4
N阱外N阱到N+距离
8.0
减少闩锁效应
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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 金属覆盖孔
1.5
防止源、漏区与栅短路
4.7
1.0
保证接触，防止断条
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版图几何设计规则
contact设计规则示意图
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版图几何设计规则
Metal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
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版图几何设计规则
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反相器实例
IN GND
4.4 1.4 4.2 1.3 2.2 3.1 3.4 4.5 4.7 2.1 2.1 5.2 4.7 3.1 4.5 4.7 3.4
1.3
4.2 4.4 1.1
VDD
OUT
5.1
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版图几何设计规则
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半定制标准单元示意图
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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。
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提高可靠性需要
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版图几何设计规则
Pad设计规则示意图
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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。
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1.0
保证沟道区尺寸
3.4
1.5
保证栅长及源、漏区的截断
3.5
3.0
保证电流在整个栅宽范围内均匀 流动
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版图几何设计规则
Poly相关设计规则示意图
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版图几何设计规则
Contact相关的设计规则列表
编 号 描 述 尺 寸 目的与作用 保证与铝布线的良好接触 4.1 接触孔大小 2.0x2.0
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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。
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5.2 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。
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： （1）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。
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版图几何设计规则
（2）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。 （3）定义设计人员设计时所用的电 参数的范围。
问题讨论 （1） 阱的间距和间隔的规则 （2） MOS管的规则 （3） 接触
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5.3 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。
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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。
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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。
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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。
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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。
Metal设计规则示意图
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版图几何设计规则
Pad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
焊盘外到有源区最小距 离
25.0
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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
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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。
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山东大学 信息学院 刘志军
上次课内容
第4章 集成电路特定工艺
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 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
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本次课内容
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布线规则
（1）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。 （2）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。
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布线规则
（3）压点离开芯片内部图形的距离 不应少于20μ m，以避免芯片 键合时，因应力而造成电路损 坏。 （4）布线层选择。
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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。
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标准单元库
单元库实际包括四种符号： 符号（symbol view） 抽象图（abstract view） 线路图（schematic view） 版图（layout view）
下面以某种N阱的硅栅工艺为例分 别介绍层次的概念。
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版图几何设计规则
• NWELL硅栅的层次标示
层次表示
NWELL
含义
N阱层
标示图
Locos
N+或P+有源区层
Poly
多晶硅层
Contact
接触孔层
Metal
金属层
Pad 2013-7-26
焊盘钝化层 《集成电路设计基础》 14
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布线规则
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5.5 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
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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。
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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。
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《集成电路设计基础》
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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。
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版图几何设计规则
P+、N+有源区设计规则示意图
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版图几何设计规则
Poly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 多晶硅伸出有源 区 与有源区最小内 间距