集成电路后端设计简介

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1、集成电路后端 设计简介,第一部分 简单导言,集成电路的发展,集成电路（IC：Integrated Circuit）是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片上，并封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。 1965年，Intel公司创始人之一的Gorden E. Moore博士在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系时预测，芯片上晶体管数目每隔18个月翻一番或每三年翻两番，这一关系被称为摩尔定律(Moores Law),集成电路的分类,集成电路设计方法,全定制方法（Full-Custom Desi

2、gn Approach） 适用于要求得到最高速度、最低功耗、最省面积和最高成品率的芯片设计 完全是由用户设计师根据所选定的生产工艺按自己的要求独立地进行集成电路产品设计，这样可以使所设计的电路具有尽可能高的工作速度、尽可能小的芯片面积和满意的封装 针对每个晶体管进行电路参数和版图优化，以获得最佳的性能(包括速度和功耗)以及最小的芯片面积。由于这种设计方法版图布局和布线都要用人工布置得尽可能紧凑，所以设计过程要花费大量的人力物力和时间。不仅开始设计时如此，检验和改正设计错误也是非常艰巨的工作 半定制方法（Semi-Custom Design Approach） 是一种库单元设计方法 各个单元具有

3、同一高度(指版图尺寸)，但宽度不等。单元本身经过精心设计，并完成了设计规则检查和电学性能验证 设计者将所需要的单元从标准单元库中调出来，并排列成行，行间留有可调整的布线通道。再按设计电路的功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，就得到所需的芯片版图,第二部分 CMOS原理,MOS晶体管的基本结构,MOS（金属-氧化物-半导体）场效应晶体管，简称为MOS管（或器件），其核心结构是由导体、绝缘体与构成管子衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起组成的。 根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为NMOS和PMOS。MOS晶体管实际是由两个PN结和一个栅电容组成的，包括Cgs、Cgd、 Cgb

4、。 在MOS结构中，栅极为控制电极，它控制着漏和源之间沟道的电流。 早期的栅极材料采用的就是良导体金属铝。 当代先进的MOS工艺都采用多晶硅作为栅极导电材料。 所谓的CMOS则表示这样一种工艺和电路，其中nMOS和pMOS两种类型的MOS管制作在同一芯片上。,N型MOS管物理结构和电路符号,P型MOS管物理结构和电路符号,MOS晶体管的基本工作原理,从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。 如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。 引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压

5、，称为阈值电压VT。,MOS晶体管的基本工作原理,根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增强型和耗尽型两种器件。对于N沟MOS器件而言，将阈值电压VT0的器件称为增强型器件，阈值电压VT0的器件，称为耗尽型器件。 PMOS器件和NMOS器件在结构上是一样的，只是源漏衬底的材料类型和NMOS相反，工作电压的极性也正好相反。,MOS晶体管性能分析,(a) VgsVT, Vds=0V,(b) VgsVT, VdsVgs-VT,(c) VgsVT, VdsVgs-VT,MOS晶体管性能分析,在电学上MOS管作为一种电压控制的开关器件。 当栅-源电压Vgs等于开启电压VT时，该器件开始导通。当源-漏间加一

6、电压Vds以及 Vgs = VT时，由于源-漏电压和栅-衬底电压而分别产生的电场水平和垂直分量的作用，沿着沟道就出现了导电。源-漏电压（即Vds0）所产生的电场水平分量起着使电子沿沟道向漏极运动的作用。随着源-漏电压的增加，沿沟道电阻的压降会改变沟道的形状,MOS晶体管性能分析,（3）当有效栅电压（VgsVT）比漏极电压大时，随着Vgs的增加，沟道变得更深，这时沟道电流Ids既是栅极电压也是漏极电压的函数，习惯上称这个区域为“线性”区，或“电阻”区，或“非饱和”区。 （4）如果Vds大于VgsVT；即，当VgdVT（Vgd为栅-漏电压）时，沟道不再伸展到漏极，处于夹断状态。在这种情况下，导电是

7、由于正漏极电压作用下电子的漂移机理所引起的。,MOS晶体管性能分析,（5）在电子离开沟道后，电子注入到漏区耗尽层中，接着向漏区加速。沟道夹断处的电压降不变，保持在VgsVT，这种情况为“饱和”状态。这时沟道电流受栅极电压控制，几乎与漏极电压无关。 （6）影响源极流向漏极（对于给定的衬底电阻率）的漏极电流Ids大小的因素有： 1、源、漏之间的距离； 2、沟道宽度； 3、开启电压VT； 4、栅绝缘氧化层的厚度； 5、栅绝缘层的介电常数； 6、载流子（电子或空穴）的迁移率。,MOS晶体管性能分析,一个MOS管的正常导电特性可分为以下几个区域： （1）“夹断”区：这时的电流是源漏间的泄漏电流； （2）

8、“线性”区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加； （3）“饱和”区：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。 当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。在这两种情况中，栅极电已不能对漏极电流进行控制。,MOS晶体管性能分析,描述NMOS器件在三个区域中性能的理想表达式为： 0 （a）截止区 Ids VgsVT0 （b）线性区 0VgsVT Vds （c）饱和区,MOS器件电压-电流特性,N型MOS管和P型MOS管工作在线性区和饱和区时的电压-电流特性曲线：,简单MOS管的工艺步骤,Al栅工艺 Si栅工艺（自对准）,Al栅工艺（以NMOS为例）,（1）一次氧化 （2）S、D区扩散

9、、氧化 （3）光刻栅区 （4）栅氧化 （5）光刻引线孔 （6）蒸铝、反刻、合金化,Si栅工艺（以NMOS为例）,（1）一次氧化 （8）光刻引线孔 （2）光刻有源区 （9）蒸铝、反刻、合金化 （3）栅氧化 （4）生长多晶硅 （5）光刻栅极 （6）S、D掺杂 （7）氧化,第三部分 简单门电路的版图绘制,CMOS反相器的工作原理,CMOS反相器是CMOS门电路中最基本的逻辑部件，大多数的逻辑门电路均可通过等效反相器进行基本设计，再通过适当的变换，完成最终设计。所以，基本反相器的设计就成为逻辑部件设计的基础。,CMOS反相器电路图,它由一个NMOS晶体管和PMOS晶体管配对构成，两个器件的漏极相连作为

10、输出，栅极相连作为输入。NMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接地，PMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。,CMOS反相器器件物理结构剖面图,图中在N型硅衬底上专门制作一块P型区域，用来制作NMOS管，在N型衬底上制作PMOS管。为了防止源/漏区域衬底出现正偏置，通常N型衬底要借电路中的最低电位，N阱应接电路中最高的电位。为保证电位接触良好，必须形成欧姆接触，在接触点采用重掺杂结构。,CMOS反向器的工作原理,如果分别定义n沟道和p沟道晶体管的阈值电压为VTn (如0.7V)和VTp (如0.7V)。在Vi0时，因为Vi0.7V，n沟道晶体管截止；但因为Vi0VTp ( 0.7V)，故p沟

11、道晶体管导通，所以Vo=VDD。当Vi升高使得n沟道晶体管的栅极电压超过VTn时，它开始导通，其电流流过P沟道晶体管。若再继续增加Vi，将使P沟道器件的栅源之间电压接近于P沟道阈值电压VTp，甚至低于VTp，最后导致它截止，此时ViVDD ,Vo=VSS（0V）。值得指出的是，任一种逻辑状态，不管是Vi为VDD或为VSS，两个晶体管必有一个截止。因此，在任一逻辑状态下，只有非常小的电流从VDD流向VSS，所以耗电很少。对高密度应用来说，CMOS的低功耗是它最重要的优点。,垂直走向MOS管结构,水平走向MOS管结构,金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构,金属线从管子上下穿过的水平走向MOS

12、管结构,有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构,与非门和或非门电路,二输入与非门 电路图如下：,与非门和或非门电路,与非门工作原理： 对于与非门，当INA（INB）为低电平时，M2（M1）导通，M3（M4）截止，形成从VDD到输出OUT的通路，阻断了OUT到地的通路。这时相当于一个有限的PMOS管导通电阻（称为上拉电阻）和一个无穷大的NMOS管的截止电阻（尽管有一个NMOS管在导通态，但因为串联电阻值取决于大电阻，从OUT看进去的NMOS管电阻仍是无穷大）的串联分压电路，输出为高电平（VDD）。如果INA和INB均为高电平，使得两个NMOS管均导通，两个PMOS管均截止，形成了从OUT到地的通路

13、，阻断了OUT到电源的通路，呈现一个有限的NMOS导通电阻（称为下拉电阻，其值为单个NMOS管导通电阻的两倍）和无穷大的PMOS管截止电阻的分压结果，输出为低电平。,与非门和或非门电路,二输入或非门电路图如下：,与非门和或非门电路,或非门工作原理： 对于或非门，由类似的分析可知，当INA和INB同时为低电平时，分压的结果使得输出为高电平，当INA和INB有一个为高电平或两个都为高电平时，MOS管电阻分压的结果是输出为低电平。只不过两个NMOS管全导通时（并联关系）的等效下拉电阻是单管导通电阻的一半。,与非门和或非门版图,与非门版图：,与非门和或非门版图,或非门版图：,CMOS传输门,CMOS传

14、输门电路图：,CMOS传输门,CMOS传输门工作原理： 从MOS晶体管的基本工作原理我们已经知道：当MOS管的表面形成导电沟道后, 器件源漏极之间就呈现低电阻连通；反之，如果MOS管截止，器件的源漏就呈现高电阻断开，因此MOS器件是一个典型的开关。当开关打开的时候，就可以进行信号传输，这时将它们称为传输门。,CMOS传输门,CMOS传输门工作原理： 在图中的CMOS传输门采用了P管和N管对，控制信号和C分别控制P管和N管，使两管同时关断和开通。由于PMOS管对输入信号S高电平的传输性能好，而NMOS管对输入信号S低电平的传输性能好，从而使信号S可以获得全幅度的传送而没有电平损失。,CMOS传输

15、门,CMOS传输门版图：,驱动电路,任何一个逻辑门都有一定的驱动能力，当它所要驱动的负载超过了它的能力，就将导致速度性能的严重退化。设计者可根据负载大小以及脉冲边沿的要求决定驱动级器件尺寸，如果驱动级尺寸很大且和前级功能电路的驱动能力不相匹配，应该在两者之间加一些缓冲级，以达到最佳匹配。 由于驱动电路的管子W/L较大，所以往往采用折线栅和并联管子的方法以减少面积。下图就是驱动电路常用的一个大宽长比的非门版图。,驱动电路,大宽长比非门版图：,IO单元、无源器件及互连线的设计,任何一种设计技术，版图结构都需要焊盘输入/输出单元（I/O PAD）。承担输入、输出信号接口的I/O单元就不再仅仅是焊盘（

16、Pad），而是具有一定功能的功能块。这些功能块担负着对外的驱动，内外的隔离、输入保护或其他接口功能。,输入电路,输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结构主要是输入保护电路。 一般来讲输入电路是由压焊快(PAD)、电阻R、两个二极管和反相器组成。,输入电路,（1）通过D1、D2两个二极管使得输入管信号被钳制在GND-0.7vVDD+0.7v之间。 （2）D1称为上拉二极管，相对电源起到保护作用。 （3）D2称为下拉二极管，相对地起到保护作用。,输出电路,输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多 输出电路一般由一级或两级反相器组成,输出电路,一级反相：顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。这个反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提供一定的驱动能力。 构成这个反相器版图的NMOS和PMOS管的尺寸应该比较大。,