实验33 模拟集成电路版图的反向提取

实验33 模拟集成电路版图的反向提取

模拟集成电路具有设计难度大、应用范围宽等优点，早已成为了集成电路设计领域的重要研究热点，引起了研究者的广泛关注。模拟集成电路版图的反向提取关乎电路设计的成败，是设计过程中的重要关键环节之一。

本实验要求学生能够独立对标准CMOS模拟集成电路版图单元，完成电路的反向提取、绘制整理和功能分析等工作。通过对CMOS模拟集成电路版图单元的反向提取实践，锻炼和提高学生对集成半导体器件和模拟集成电路版图的认知能力和对电路整理与结构优化技能，培养学生对模拟集成电路反向设计思想的理解，加强学生灵活运用所学《半导体物理》、《场效应器件物理》、《模拟集成电路设计》和《集成电路制造技术》等理论知识的能力。

一、实验原理

1. 模拟集成电路中的集成器件

在标准CMOS工艺下，模拟集成半导体器件主要有：MOS晶体管、扩散电阻、多晶硅电阻、多晶硅电容和MOS电容等。在P型衬底N阱CMOS工艺条件下，NMOS器件直接制作在衬底材料上，PMOS器件制作在N阱中。在模拟集成电路中，MOS晶体管常常工作在线性区或饱和区，需要承受较大的功耗，这些晶体管具有较大的宽长比。模拟集成电路版图常常不规则，这就要求在电路提取时要充分注意电路连接关系。

为了解决较大宽长比器件与版图布局资源之间的矛盾，实际版图照片中常常可以看到，以多只较小宽长比晶体管并联形式等效一只较大宽长比晶体管的情形。这种版图尺寸的转换技术可以实现对芯片总体布局资源的充分合理利用，同时又有利于系统的整体性能提升，有着非常重要的应用。图33.1给出了大宽长比器件转换示意图，(a)图为多只具有较小宽长比的晶体管，(b)图为这些晶体管通过共用源、漏和栅极，采用并联连接方式实现向大宽长比的转换。

(a) (b)

图33.1 大宽长比器件转换示意图

图33.2给出了具有较大宽长比的NMOS和PMOS晶体管的等效版图。从图

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中可以看出，NMOS和PMOS晶体管都是由四只晶体管并联组成的，由于源极、漏极和栅极分别接在一起，所以晶体管从漏极流向源极的电流具有四条路径，那么，作用结果相当于四倍宽长比的单只晶体管。

(a) NMOS (b) PMOS

图33.2 具有大宽长比的NMOS和PMOS晶体管版图

在P型衬底N阱CMOS工艺条件下，有源区扩散条是小值电阻的重要选择，这是由于N型或P型有源区均为重掺杂区，具有较小的方块电阻。图33.3给出了N型和P型有源区扩散电阻，电阻的方块数包括直线部分、拐角部分和接触孔部分。拐角处可以简单地看作两个方块的电阻并联，记为0.5方块，更加细致的计算为0.56方块；接触孔处的电阻按照0.5方块进行估算；直线部分的方块数等于除去拐角部分的有源区线长度除以线宽度。这样可以计算出总方块数，然后乘以方块电阻，即为所设计电阻的阻值。

(a) N型扩散电阻(b) P型扩散电阻

图33.3 N型和P型扩散电阻版图

同样的，多晶硅中也存在重掺杂情形，N阱掺杂较轻，这样，多晶硅和N阱扩散条均可以作为电阻的选项。多晶硅适合制作阻值较小的电阻，它具有与有源区电阻相近的方块电阻。N阱扩散适合制作阻值较大的电阻。图33.4分别给出了多晶硅电阻和N阱扩散电阻版图。

(a) 多晶硅电阻(b) N阱扩散电阻

图33.4 多晶硅电阻条和N阱扩散电阻条版图

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在CMOS工艺条件下，电容通常采用平行板电容器原理制作。电容的上极板常常采用多晶硅材料，二氧化硅薄膜作绝缘介质材料，下极板为衬底材料。图33.5给出了下极板为N型或P型有源区的NMOS电容和PMOS电容，由于这种电容具有类似MOS晶体管的结构，故而得名。

(a) NMOS电容(b) PMOS电容

图33.5 NMOS和PMOS电容版图

2. 电路提取和参数确定

在模拟集成电路版图中，普通信号连线往往比电源连线要细些，由此可以确定与NMOS源极连接连线为地线或较低电位，与PMOS源极连接连线为正电源或较高电位，这样可以确认正负电源位置。接合上述知识，可以确认版图中的各类器件。可以完成各个器件之间的连接关系确认，画出相应电路的结构图。晶体管宽长比不计算多晶硅超出有源区部分；测量电阻条长、条宽，计算方块数；测量电容宽度和长度，计算电容。

二、实验内容

1. 完成给定的P型衬底N阱CMOS工艺条件下，各模拟集成电路版图单元的电路反向提取、整理和结构优化；

2. 完成各模拟集成电路版图单元中的晶体管宽长比的测量，并将结果标注在整理完成的电路上；

3. 完成各数字集成电路单元中电阻方块数的计算和标注；

4. 完成各模拟集成电路单元中电容面积的测量和标注；

5. 进行功能分析，简要叙述电路的功能。

三、实验思考题

1. 在P型衬底N阱CMOS工艺条件下，电阻和电容的选择有那些？请举例。

2. 比较模拟集成电路和数字集成电路版图，说明两者间的主要差别。

四、参考资料

[1]. 李乃平编，《微电子器件工艺》，华中理工大学出版社，1995；

[2]. Allen, R. E.等著，《CMOS模拟集成电路设计（第二版）》，电子工业出版社，2005。

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