第二讲 版图设计基础xin

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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。
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图1.10
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CMOS IC 版图设计技巧
1、布局要合理 （1）引出端分布是否便于使用或与其他相关电路兼 容，是否符合管壳引出线排列要求。 （2）特殊要求的单元是否安排合理，如p阱与p管漏 源p+区离远一些，使pnp，抑制Latch-up，尤其是输 出级更应注意。 （3）布局是否紧凑，以节约芯片面积，一般尽可能 将各单元设计成方形。 （4）考虑到热场对器件工作的影响，应注意电路温 度分布是否合理。
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（2）尽量不要使多晶硅位于p+区域上 多晶硅大多用n+掺杂，以获得较低的电阻率 。若多晶硅位于p+区域，在进行p+掺杂时多晶 硅已存在，同时对其也进行了掺杂——导致杂 质补偿，使多晶硅。 （3）金属间距应留得较大一些（3或4） 因为，金属对光得反射能力强，使得光刻 时难以精确分辨金属边缘。应适当留以裕量。
m1
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须解释的问题：
1. 有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处， 金属和多晶连线多做在场区上。 2. 有源区和P+,N+注入区的关系：有源区即无场氧 化层，在这区域中可做N型和P型各种晶体管，此 区一次形成。 3. 至于以后何处是NMOS晶体管，何处是PMOS晶 体管，要由P+注入区和N+注入区那次光刻决定。 4. 有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和P+注 入区交集处即形成P+有源区， P+注入区比所交有 源区要大些。
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4、CMOS电路版图设计对布线和接触孔 的特殊要求
（1）为抑制Latch up，要特别注意合理布置电源接触孔和VDD
引线，减小横向电流密度和横向电阻RS、RW。 采用接衬底的环行VDD布线。
增多VDD、VSS接触孔，加大接触面积，增加连线牢固性。
对每一个VDD孔，在相邻阱中配以对应的VSS接触孔，以增加 并行电流通路。 尽量使VDD、VSS接触孔的长边相互平行。 接VDD的孔尽可能离阱近一些。 接VSS的孔尽可能安排在阱的所有边上（P阱 well
P well
1. 阱——做N阱和P阱封闭图形， 窗口注入形成P管和N管的衬底
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CMOS反相器版图流程(2)
N diffusion
2. 有源区——做晶体管的区域（G、D、S、B区)， 封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层
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P diffusion
CMOS反相器版图流程(2)
2. 有源区——做晶体管的区域（G、D、S、B区)， 封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层
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CMOS反相器版图流程(3)
Poly gate
3. 多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。 封闭图形处，保留多晶硅
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CMOS反相器版图流程(4)
N+ implant
4. 有源区注入——P+，N+区（select)。
1. 设计规则或规整格式设计规则
70年代末，Meed和Conway倡导以无量纲的“” 为单位表示所有的几何尺寸限制，把大多数尺寸（覆 盖，出头等等）约定为的倍数。通常取栅长度L的 一半，又称等比例设计规则。由于其规则简单，主要 适合于芯片设计新手使用，或不要求芯片面积最小， 电路特性最佳的应用场合。在这类规则中，把绝大多 数尺寸规定为某一特征尺寸“”的某个倍数。与工 艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺 寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差。 优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸。
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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。
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2、单元配置恰当 （1）芯片面积降低10%，管芯成品率/ 圆片 可提高1520%。 （2）多用并联形式，如或非门，少用串 联形式，如与非门。 （3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨 导管采用条状图形，使图形排列尽可能规 整。
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3、布线合理
•布线面积往往为其电路元器件总面积的几倍，在多层 布线中尤为突出。 •扩散条/多晶硅互连多为垂直方向，金属连线为水平方 向，电源地线采用金属线，与其他金属线平行。 •长连线选用金属。 •多晶硅穿过Al线下面时，长度尽可能短，以降低寄生 电容。 •注意VDD、VSS布线，连线要有适当的宽度。 •容易引起“串扰”的布线（主要为传送不同信号的连 线），一定要远离，不可靠拢平行排列。
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5、双层金属布线时的优化方案 （1）全局电源线、地线和时钟线用第二 层金属线。 （2）电源支线和信号线用第一层金属线 （两层金属之间用通孔连接）。 （3）尽可能使两层金属互相垂直，减小 交叠部分得面积。
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硅栅CMOS 版图和工艺的关系
1. 阱——做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管 和N管的衬底 2. 有源区——做晶体管的区域（G、D、S、B区)， 封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧 化层 3. 多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处， 保留多晶硅 4. 有源区注入——P+、N+区（select)。做源漏及阱 或衬底连接区的注入 5. 接触孔——多晶硅，注入区和金属线1接触端子。 6. 金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝 7. 通孔——两层金属连线之间连接的端子 8. 金属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝
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②解剖同类型的IC的产品
解剖同类型IC产品，可作为自己设计和生 产的借鉴。解剖工作包括版图分析和基本尺寸 的测量，元件性能测试和工艺解剖和分析三个 方面。通过版图分析和基本尺寸的测量可获得 实际的线路图和逻辑功能图，可了解到版图布 局，还可取得各种元件尺寸的数据以了解其它 单位或国外制版和光刻水平。但应注意“侵权” 问题。
CMOS反相器版图流程(7)
via
7. 通孔——两层金属连线之间连接的端子
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CMOS反相器版图流程(8) Metal 2
8. 金属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝
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inverter： Schematic: Layout:
input
VDD m1 m2 GND VDD
output
GND
m2
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4、Metal1 Contact to P-Select spacing=5um Metal1 Contact to N-Select spacing=5um
3. 版图设计的准备工作
在进行版图设计以前，必须进行充分的准备工作。 一般包括以下几方面。
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。
N/P MOS版图设计
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硅栅硅栅MOS器件工艺的流程 Process (1)刻有源区
正胶
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Process (2)刻多晶硅与自对准掺杂
Self-Align Doping
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Process (3)刻接触孔、反刻铝
field oxide (FOX) metal-poly insulator thin oxide
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CMOS反相器版图流程(4)
P+ implant
4. 有源区注入——P+、N+区（select)。
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CMOS反相器版图流程(5)
contact
5. 接触孔——多晶硅，注入区和金属线1接触端子。
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CMOS反相器版图流程(6)
Metal 1
6. 金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝
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3. IC版图的设计规则 IC设计与工艺制备之间的接口 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避 免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来 的问题，尽可能地提高电路制备的成品率。 什么是版图设计规则？考虑器件在正常工作的条 件下，根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能 力、对准容差等)和成品率要求，给出的一组同一 工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要 包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规 则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的 33 断裂、连接和一些不良物理效应的出现。
金属层主要起互连 作用，宽度一般为 定义的最小宽度
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版图中的绘图层
6、接触孔层和通孔层 接触孔层：有源区接触孔（Active Contact） 和多晶硅接触孔（Poly Contact） 通孔层（Via）：相邻金属层之间的连接 一般来说：接触孔层只有一层，而通孔层可 以有多层
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版图中的绘图层
6、接触孔层和通孔层
Pwell to pwell spacing =20um
p-well surround active =10um