三输入与或门设计

《集成电路版图设计》实验（一）：

三输入与或门设计

一．设计目的

1、掌握使用Ledit软件绘制基本的元器件单元版图。

2、掌握数字电路基本单元CMOS版图的绘制方法，并利用CMOS版图设计简单的门电路，然后对其进行基本的DRC检查。

3、学习标准逻辑单元的版图绘制。

二．设计原理

（一）设计步骤：

1、设计参数设置：包括工艺参数设置（理解 Technology Unit 和Technology Setup的关系）、栅格设置（理解显示栅格、鼠标栅格和定位栅格）、选择参数设置等

2、布局布线：安排各个晶体管、基本单元、复杂单元在芯片上的位置，并且设计走线，实现管间、门间、单元间的互连。

4、尺寸确定：确定晶体管尺寸（W、L）、互连尺寸（连线宽度）以及晶体管与互连之间的相对尺寸等（此次实验可以忽略）。

5、版图编辑（Layout Editor ）:规定各个工艺层上图形的形状、尺寸和位置。

6、布局布线（Place and route ）：给出版图的整体规划和各图形间的连接。

7、版图检查（Layout Check ）：设计规则检验（DRC,Design Rule

Check），能够找到DRC规则在版图的应用点。

（二）设计目标：

1、满足电路功能、性能指标、质量要求。

2、尽可能达到面积的最小化，以提高集成度，降低成本。

3、尽可能缩短连线，以减少复杂度，缩短延时、改善可靠性。三．设计内容

用CMOS工艺设计一个三输入与或门F=A+B﹡C，进行基本的DRC 检查。

四.评价标准

本次的实验作业旨在让同学通过亲身实践，对所学的CMOS集成电路设计有一个更系统更全面的了解，并且通过软件的使用，达到将来参与电路设计工作的的入门练习作用。

五．部分设计规则描述

设计规则是设计人员与工艺人员之间的接口与“协议”，版图设计必须无条件的服从的准则，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。设计规则主要包括几何规则、电学规则以及走线规则。其中几何设计规则通常有两类：

①微米准则：用微米表示版图规则中诸如最小特征尺寸和最小允许间隔的绝对尺寸。

②λ准则：用单一参数λ表示版图规则，所有的几何尺寸都与λ成线性比例。

设计规则分类如下：

1.拓扑设计规则（绝对值）：最小宽度、最小间距、最短露头、离周边最短距离。

2.λ设计规则（相对值）：最小宽度w=mλ、最小间距s=nλ、最短露头t=lλ、离周边最短距离d=hλ（λ由IC制造厂提供，与具体的工艺类型有关，m、n、l、h为比例因子，与图形类形有关）。

①宽度规则（width rule）：宽度指封闭几何图形的内边之间的距离。

图1.宽度规则

②间距规则（Separation rule）：间距指各几何图形外边界之间的距离。

同一工艺层的间距(spacing) 不同工艺层的间距(separation)

图2.间距规则

③交叠规则（Overlap rule）

交叠有两种形式：

（1）一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（intersect）（2）一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（enclosure）

Intersect enclosure

图3.交叠规则

④因为物理结构直接决定晶体管的跨导、寄生电容和电阻，以及用于特定功能的硅区，所以说物理版图的设计与整个电路的性能（面积、速度、功耗）关系密切。另一方面，逻辑门精密的版图设计需要花费很多的时间与精力。这在按照严格的限制对电路的面积和性能进行优化时是非常需要的。但是，对大多数数字VLSI电路的设计来说，自动版图生成是更好的选择（如用标准单元库，计算机辅助布局布线）。为判断物理规范和限制，VLSI设计人员对物理掩膜版图工艺必须有很好的了解。因为物理结构直接决定晶体管的跨导、寄生电容和电阻，以及用于特定功能的硅区，所以说物理版图的设计与整个电路的性能（面积、速度、功耗）关系密切。CMOS逻辑门掩膜版图的设计是一个不断反复的过程。首先是电路布局（实现预期的逻

辑功能）和晶体管尺寸初始化（实现期望的性能规范）。绘制出一个简单的电路版图，在图上显示出晶体管位置、管间的局部互连和接触孔的位置。

⑤部分MOS版图设计规则

有了合适的版图结构后，就可以根据版图设计规则利用版图编辑工具绘出掩膜层。这个过程可能需要多次反复以符合全部的设计规则，但基本布局不应有太大的改变。进行DRC（设计规则检查）之后，就在完成的版图上进行电路参数提取来决定实际的晶体管尺寸，更重要的是确定每个节点的寄生电容。提取步骤完成后，提取工具会自动生成一个详细的SPICE输入文件。在就可以使用提取的网表通过SPICE 仿真确定电路的实际性能，如果仿真出的电路性能（如瞬态响应时间或功耗）与期望值不相符，就必须对版图进行修改并重复上面的过程。版图修改主要是对晶体管尺寸中的宽长比进行修改。这是因为管子的宽长比决定器件的跨导和寄生源极和漏极电容。为了减小寄生效应，设计者也必须考虑对电路结构进行局部甚至全部的修改。

⑥版图设计流程图:

图四. 版图设计流程图

六．设计过程分析

（一）绘制版图前分析：

① P型MOS管必须放在n阱区。

②PMOS的有源区、n阱和n＋区的最小重叠区决定n阱的最小尺寸。

③n＋有源区同n阱间的最小间距决定了nMOS管和pMOS管的距离。

④通常，将nMOS管和pMOS管的多晶硅栅极对准，这样可以由最小长度的多晶硅线条组成栅极连线。在一般版图中要避免出现长的多晶硅连接的原因在于多晶硅线条过高的寄生电阻和寄生电容会导致明显的RC延时。

⑤版图的最后一步是在金属中形成输出节点VDD和GND接触孔间的局部互连。

⑥版图中的金属线尺寸通常由金属最小宽度和最小金属间距（同一层上的两条相邻线间）决定。

⑦为了得到合适的偏置，n阱区必须也有一个VDD接触孔。每当有源区被nSelect包围时就形成n+，每当有源区被pSelect包围时就形成p+。每当多晶穿越n+区时就形成nFET ，每当多晶穿越p+区时就形成pFET 。若无接触孔（有源区接触、多晶接触、通孔），n+、p+、多晶硅、各层金属即使相互交叉，也不会形成电连接。设计步骤大体和COMS反相器差不多，只是过比CMOS反相器复杂，需注意各层之间的连接关系。