課程IC原理集成電路設計概述PPT課件

1、1第17 章 集成電路設計概述 1. 集成電路設計的流程圖2. 集成電路的正向設計流程3. 什么是逆向設計4. 設計規(guī)則朱正涌教材：32第1頁/共57頁2根據(jù)用途要求確定系統(tǒng)總體方案電路設計工藝設計版圖設計生成PG帶制作掩模版工藝流片測試，劃片封裝1. 集成電路設計的流程圖第2頁/共57頁3電路設計 根據(jù)電路的指標和工作條件，確定電路結構與類型，然后通過模擬計算，決定電路中各器件的參數(shù)（包括電參數(shù)、幾何參數(shù)等）第3頁/共57頁4工藝設計 根據(jù)電路特點選擇適當?shù)墓に?，再按電路中各器件的參?shù)要求，確定滿足這些參數(shù)的工藝參數(shù)、工藝流程和工藝條件。第4頁/共57頁5版圖設計 按電路設計和確定的工藝流程

2、，把電路中有源器件、阻容元件及互連以一定的規(guī)則布置在硅片上，繪制出相互套合的版圖，以供制作各次光刻掩模版用。第5頁/共57頁6 2. 集成電路的正向設計流程 理想的設計流程(自頂向下：TOP-DOWN） 系統(tǒng)功能設計，邏輯和電路設計，版圖設計硅編譯器silicon compiler(算法級、RTL級向下）門陣列、標準單元陣列等邏輯和電路描述邏輯和電路描述系統(tǒng)性能編譯器系統(tǒng)性能編譯器系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)性能指標性能和功能描述性能和功能描述邏輯和電路編譯器邏輯和電路編譯器幾何版圖描述幾何版圖描述版圖編譯器版圖編譯器制版及流片制版及流片統(tǒng)統(tǒng)一一數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫第6頁/共57頁7 什么是正向設計？ 集成電路的

3、正規(guī)設計方法是正向設計，即根據(jù)產品確定的指標和要求、從電路原理或系統(tǒng)原理出發(fā)，通過查閱相關規(guī)定和標準，利用已有知識和能力來設計模塊和電路，最后得到集成電路物理實現(xiàn)所需的幾何圖形。正向設計產品的性能可以通過仿真進行驗證和預測。更為重要的是，正向設計的思維是積極主動的，知識是可以積累的，性能可以不斷提高，產品可以不斷的更新?lián)Q代，而反向設計即使百分之百正確，也只能是一個已經(jīng)定型產品的模仿，在辛苦進行反向設計時，別人的第二代、第三代產品又已經(jīng)出來了，這樣的產品又有什么競爭力呢? 第7頁/共57頁8正向設計流程如下：朱正涌教材 p.329 (1)根據(jù)功能要求進行系統(tǒng)設計(畫出框圖)。 (2)劃分成子系統(tǒng)

4、(功能塊)進行邏輯設計。 (3)由邏輯圖或功能塊功能要求進行電路設計。 (4)由電路圖設計版圖，根據(jù)電路及現(xiàn)有工藝條件，經(jīng)模擬驗證再繪制總圖。 (5)工藝設計，比如原材料選擇，設計工藝參數(shù)、工藝方案，確定工藝條件、工藝流程。 如有成熟的工藝，就根據(jù)電路的性能要求選擇合適的工藝加以修改、補充或組合。工藝條 件包括擴散源的種類，溫度、時間、流量，離子注入劑量和能量，工藝參數(shù)及檢測手段等。第8頁/共57頁9第9頁/共57頁10第10頁/共57頁11第11頁/共57頁12第12頁/共57頁13第13頁/共57頁14第14頁/共57頁15第15頁/共57頁16第16頁/共57頁17 3. 什么是逆向設計

5、？ （教材 p.329 ） 反向設計（解剖同類型的IC的產品）是集成電路設計方法的一個專有名詞。反向設計是通過拍攝和放大已有芯片照片得到版圖的幾何圖形。由于原有芯片的圖形尺寸極小且是多層重疊的，反向設計的工作量很大，而且出錯概率也大。以一千門的不規(guī)則版圖為例，反向分析就需一個工程師幾乎一年的時間。隨著電路規(guī)模的增大，這種反向分析的效率成倍地下降，錯誤概率呈指數(shù)上升，一個幾萬門電路的反向設計幾乎是不可能的，而幾十萬門的電路就完全不可能了。第17頁/共57頁18 反向工程大體的流程應該是： 芯片樣品 解剖去層 數(shù)字拍照 拼接對準 完整圖像 (碼點提取、版圖提取、網(wǎng)表提取)第18頁/共57頁19逆向

6、設計的流程如下： (1)提取橫向尺寸 1) 打開封裝，進行照相(把電路產品放大數(shù)百倍分塊照相，提取集成電路的復合版圖)； 2) 拼圖 (把照片拼成整個產品的復合版圖)； 3) 由產品的復合版圖提取電路圖、器件尺寸和設計規(guī)則； 4) 進行電路模擬，驗證所提取的電路是否正確； 5) 如果模擬正確?？梢灾之嫲鎴D。 （朱正涌教材：p.329 ）第19頁/共57頁20 (2)提取縱向尺寸 用掃描電鏡、擴展電阻儀等提取氧化層厚度、金屬膜厚度、多晶硅厚度、結深，基區(qū)寬度等縱向尺寸和縱向雜質分布。 (3)測試產品的電學參數(shù) 電學參數(shù)包括開啟電壓（ MOS電路）、薄膜電阻、放大倍數(shù)（雙極電路）、特征頻率等。第

7、20頁/共57頁21 其中芯片剖片拍照過程如下： 1. 芯片開蓋 開蓋以化學法或特殊封裝類型開蓋，處理金線取出晶粒。 2. 層次去除 以蝕刻方式去除層，包括去除保護層polyimide（聚酰亞胺）、氧化層、鈍化層、金屬層等。 3. 芯片染色 通過染色以便于識別，主要有金屬層加亮，不同類型阱區(qū)染色，ROM碼點染色。第21頁/共57頁22 4. 芯片拍照 通過電子顯微鏡(SEM)對芯片進行拍攝。 5. 圖像拼接 將拍攝的區(qū)域圖像進行拼接(軟件拼接，照片沖洗后手工拼接)。 6. 版圖提取 對完整的圖像進行軟件或人工版圖提取。 7. 電路提取 進行軟件或人工提取。 第22頁/共57頁23 以上關鍵之處

8、是顯微鏡拍攝，如果是通過別的公司的拍攝，通常得到的是沖洗后的照片圖像，因為種種原因造成圖像不完整，包括得圖像放大倍數(shù)影響，圖像色彩模糊，圖像噪點，圖像拼接偏差等。第二個關鍵點，如果得到相關電子圖像，就可利用專業(yè)軟件對圖像進行矢量化處理。如果沒有專業(yè)軟件，可以使用測繪矢量化軟件(比如asscan，vect2000, r2v等)，同樣可以得到相同的結果。(這里的關鍵點，也是對圖像的處理，和圖像的矢量化。)如果矢量化成功，就可以得到相應的矢量圖像，至少可以得到相對坐標點。對矢量圖像糾正處理，或坐標點成像處理，應該不是很困難。第23頁/共57頁24 打開封裝的方法 根據(jù)器件的結構和封裝形式，采取不同方

9、法，確保不損傷晶片、引線等情況下，暴露芯片的表面，以便進行隨后的觀察和測量。 1.機械開封 (1)TO一5型金屬管殼，可用金屬管殼開啟器或機械方式打開。 (2)雙列直插式陶瓷封裝，將樣品底座夾緊，在蓋板密封處放一刀片，小心輕敲刀片，直到蓋板逐步松開、分離。第24頁/共57頁25 也可對封接處用銼刀或砂紙研磨，待磨薄后或出現(xiàn)小孔時，用尖針插入，將蓋板撬起。如果金屬蓋板是用軟焊料焊接，則可用加熱把焊料熔化揭開金屬蓋。 2. 化學開封： 使用發(fā)煙硝酸(7080)或硫酸(200250)溶解塑封管殼，去離子水洗凈，無水乙醇脫水。但對鋁有緩慢腐蝕作用。要控制好腐蝕時間。 利用氧等離子體進行干法腐蝕，將環(huán)氧

10、樹脂裂解變成粉末。 第25頁/共57頁26 4. 集成電路的設計規(guī)則 IC設計與工藝制備之間的接口 制定目的：使芯片尺寸在盡可能小的前提下，避免線條寬度的偏差和不同層版套準偏差可能帶來的問題，盡可能地提高電路制備的成品率 什么是設計規(guī)則？考慮器件在正常工作的條件下，根據(jù)實際工藝水平(包括光刻特性、刻蝕能力、對準容差等)和成品率要求，給出的一組同一工藝層及不同工藝層之間幾何尺寸的限制，主要包括線寬、間距、覆蓋、露頭、凹口、面積等規(guī)則，分別給出它們的最小值，以防止掩膜圖形的斷裂、連接和一些不良物理效應的出現(xiàn)。第26頁/共57頁27 設計規(guī)則的內容與作用 設計規(guī)則是集成電路設計與制造的橋梁。如何向電

11、路設計及版圖設計工程師精確說明工藝線的加工能力，就是設計規(guī)則描述的內容。 這些規(guī)定是以掩膜版各層幾何圖形的寬度、間距及重疊量等最小容許值的形式出現(xiàn)的。 設計規(guī)則本身并不代表光刻、化學腐蝕、對準容差的極限尺寸，它所代表的是容差的要求。第27頁/共57頁28 設計規(guī)則 IC設計與工藝制備之間的接口 制定目的：使芯片尺寸在盡可能小的前提下，避免線條寬度的偏差和不同層版套準偏差可能帶來的問題，盡可能地提高電路制備的成品率 什么是設計規(guī)則？考慮器件在正常工作的條件下，根據(jù)實際工藝水平(包括光刻特性、刻蝕能力、對準容差等)和成品率要求，給出的一組同一工藝層及不同工藝層之間幾何尺寸的限制，主要包括線寬、間距

12、、覆蓋、露頭、凹口、面積等規(guī)則，分別給出它們的最小值，以防止掩膜圖形的斷裂、連接和一些不良物理效應的出現(xiàn)。第28頁/共57頁29 設計規(guī)則的表示方法 以 為單位也叫做“規(guī)整格式” ：把大多數(shù)尺寸（覆蓋，出頭等等）約定為的倍數(shù)與工藝線所具有的工藝分辨率有關，線寬偏離理想特征尺寸的上限以及掩膜版之間的最大套準偏差，一般等于柵長度的一半。 優(yōu)點：版圖設計獨立于工藝和實際尺寸 以微米為單位也叫做“自由格式” ：每個尺寸之間沒有必然的比例關系， 提高每一尺寸的合理度；簡化度不高 。 ，目前一般雙極集成電路的研制和生產，通常采用這類設計規(guī)則。在這類規(guī)則中，每個被規(guī)定的尺寸之間，沒有必然的比例關系。這種方法

13、的好處是各尺寸可相對獨立地選擇，可以把每個尺寸定得更合理，所以電路性能好，芯片尺寸小。缺點是對于一個設計級別，就要有一整套數(shù)字，而不能按比例放大、縮小。 第29頁/共57頁30 1. 設計規(guī)則或規(guī)整格式設計規(guī)則 設計規(guī)則的表示方法 70年代末，Meed和Conway倡導以無量綱的“”為單位表示所有的幾何尺寸限制，把大多數(shù)尺寸（覆蓋，出頭等等）約定為的倍數(shù)。通常 取柵長度L的一半，又稱等比例設計規(guī)則。由于其規(guī)則簡單，主要適合于芯片設計新手使用，或不要求芯片面積最小，電路特性最佳的應用場合。在這類規(guī)則中，把絕大多數(shù)尺寸規(guī)定為某一特征尺寸“”的某個倍數(shù)。與工藝線所具有的工藝分辨率有關，線寬偏離理想特

14、征尺寸的上限以及掩膜版之間的最大套準偏差。 優(yōu)點：版圖設計獨立于工藝和實際尺寸。第30頁/共57頁31MOS集成電路的版圖設計規(guī)則基本的 設計規(guī)則圖解 第31頁/共57頁32第32頁/共57頁33第33頁/共57頁34第34頁/共57頁35第35頁/共57頁36第36頁/共57頁37第37頁/共57頁38 2. 微米設計規(guī)則，又稱自由格式規(guī)則 80年代中期，為適應VLSI MOS電路制造工藝，發(fā)展了以微米為單位的絕對值表示的版圖規(guī)則。針對一些細節(jié)進行具體設計，靈活性大，對電路性能的提高帶來很大方便。適用于有經(jīng)驗的設計師以及力求挖掘工藝潛能的場合。目前一般的MOS IC研制和生產中，基本上采用這

15、類規(guī)則。其中每個被規(guī)定的尺寸之間沒有必然的比例關系。顯然，在這種方法所規(guī)定的規(guī)則中，對于一個設計級別，就要有一整套數(shù)字，因而顯得煩瑣。但由于各尺寸可相對獨立地選擇，所以可把尺寸定得合理。 第38頁/共57頁39Design Rules (1)Constraints of layout to avoid Fab. failureGateway between Design and FabricationViolation is likely to cause error(s) Three areas：Minimum spacing：avoid short between layersMinimu

16、m width：to avoid break (open)Enclosure or extension： for overlapping第39頁/共57頁40Design Rules (2) Micron rules: the constraints are in micrometers Lambda rules: constraints are in terms of , Parameter (=0.5 Min. distance) more scalable but less area efficient Design rule Check Automatically check desi

17、gn rule violations Warn designer of possible errors. Electrical Rule Check Automatically check electrical rule violations VDD shorts to Gnd, Floating nodes, etc.第40頁/共57頁41Design Rule Illustration設計規(guī)則例證ActiveActivemetalmetal第41頁/共57頁42Substrate & Well ContactsSource & Drain Contacts: - surro

18、unded by p+ region in the n- well - surrounded by n+ region in the p- substrateN-well Contacts: - surrounded by n+ region in the n-well - connect n-well to VDDSubstrate Contacts: - surrounded by p+ region in the p- substrate - connect p- substrate to GNDMany substrate & well contacts are needed

19、to avoid latch-up problem, sometimes form a guard-ringN-well第42頁/共57頁43 1、寬度及間距： 關于間距： diff：兩個擴散區(qū)之間的間距不僅取決于工藝上幾何圖形的分辨率，還取決于所形成的器件的物理參數(shù)。如果兩個擴散區(qū)靠得太近，在工作時可能會連通，產生不希望出現(xiàn)的電流。類 型 最 小 寬 度 最 小 間 距D i f f 3 3 P o l y - s i 2 2A l 3 3d i ff - p o l y 第43頁/共57頁44 poly-Si：取決于工藝上幾何圖形的分辨率。 Al:鋁生長在最不平坦的二氧化硅上， 因此，鋁的寬度和間距都要大些，以免短路或斷鋁。 diff-poly：無關多晶硅與擴散區(qū)不能相互重疊，否則將產生寄生電容或寄生晶體管。AlPolydiff32第44頁/共57頁45 2、接觸孔：孔的大?。?2diff、poly的包孔：1孔間距：1 Alpoly 說明：接觸孔的作用是將各種類型的半導體與金屬引線進