第5章 CMOS集成电路的版图设计 主要内容 5.1 MOS 场效应管的版图实现 5.2 版图设计规则 5.3 版图系统的设置 5.4 版图的建立 5.5 版图的编辑 5.6 棍棒图 5.7 版图设计方法概述 5.1 MOS 场效应管的版图实现场效应管的版图实现 5.1.1 单个MOS管的版图实现 1. MOS管的结构和布局 ① MOS管的四种布局图 ② 直线形排列的NMOS管 结构图 立体结构和俯视图 ③ 源区、沟道区和漏区合称为MOS管的有源区(Active），而有源区之外的区域定义为场区（Fox)有源区和场区之和就是整个芯片表面 Fox + Active = Surface 芯片表面包含有源区和场区两部分 ④ N阱CMOS集成电路使用P型衬底，NMOS管直接制作在P型衬底上，PMOS管做在N阱内 ⑤ 完整的MOS管版版图必须包含两个部分：a）由源、栅和漏组成的器件；b）衬底连接a)PMOS管 (b)NMOS管 完整的MOS管版图图形 5.1.2 MOS管阵列的版图实现管阵列的版图实现 1.MOS管串联管串联 (1) 两个MOS管的串联。
N1的源、漏区为X和Y，N0的源、漏区为Y和ZY是它们的公共区域，如果把公共区域合并,得到图5.7(d)所示的两个MOS管串联连接的版图 从电流的方向可以决定，当MOS管串联时，它们的电极按S-D-S-D-S-D方式连接a) 电路图 (b) N1版图 (c) N0版图 (d) N1和N0串联版图 (2) 任意个MOS管串联例如3个MOS管串联的版图 (a)电路图 (b) 版图 2.MOS管并联管并联(并联是指它们的源和源连接，漏和漏连接，各自的栅还是独立的) (1)栅极水平放置，节点X和Y可用金属连线连接(图b)；也可用有源区连接(图c）a)电路图 (b)用金属连接节点 (c) 用有源区连接节点 (2)栅极竖直方向排列，节点连接既可用金属导线(图b)，也可用有源区进行连接(图c） (a)电路图 (b)用金属连接节点 (c) 用有源区连接节点 (3)三个或三个以上MOS管并联 ① 全部用金属进行源的连接和漏的连接(图a）,称为叉指形结构; ② 分别用金属和有源区进行源和漏的并联连接; ③ 金属连接和有源区连接联合使用(图b）。
a)源和漏的并联都用金属连接（叉指型） (b)分别用有源区和金属进行并联连接 3.MOS管的复联管的复联 复联是MOS管先串后并和先并后串的连接 (a) 电路图 (b) 版图 5.2 版图设计规则版图设计规则 设计规则是由几何限制条件和电学限制条件共同确定的版图设计的几何规定，这些规定是以掩膜版各层几何图形的宽度、间距及重叠量等最小容许值的形式出现的 版图设计规则一般都包含以下四种规则： (1) 最小宽度 例如，金属、多晶、有源区或阱都必须保持最小宽度 (2)最小间距 例如，金属、多晶、有源区或阱都必须保持最小间距 (3)最小包围 例如，N阱、N+离子注入和P+离子注入包围有源区应该有足够的余量;多晶硅、有源区和金属对接触孔四周要保持一定的覆盖 (4)最小延伸 例如，多晶栅极须延伸到有源区外一定长度 5.3 版图系统的设置版图系统的设置5.3.1建立版图库建立版图库 1. 建立新库步骤 (1) 从CIW进入库管理器，选命令Tools→Library Manager…进入库管理器 (2) 在库管理器中选命令File→New→Library…，出现新库对话框。
选建立新库命令 新库对话框 (3) 在Name 文本区输入新库名(例如mylib)点击OK按钮，出现新库技术文件对话框，新库mylib的技术文件有三种选项对新库的技术文件有三个选项 (4) 方法1：选“compile a new techfile”，点击OK按钮，出现Load Technology File对话框在框中ASCII Technology File的文本区输入技术文件名(如csmc.tf)，按OK按钮结束，出现对话框报告加载技术文件成功，新库已建立在ASCII Technology File区输入技术文件名 报告技术文件加载成功 (5) 方法2：选“Attach to an existing techfile”,出现Attach Design Library to Technology File对话框在Technology Library文本区下拉菜单中选择技术库，例如csmc15tech,按OK按钮即完成建库 若新库名为abcd,建库完成后在CIW中显示： Design Libraryˋabcdˊsuccessfully attached to technology Library ˋcsms15techˊ新库abcd已成功建立。
从库管理器建立新库的另一种方法 (6) 建立新文件:在库管理器,选命令File→New→Cell view…在Create New File框内输入库名和单元名(inv)后，先将tool选为virtuoso，在View Name的文本区会自动生成Layout，点击Ok按钮，将同时出现版图编辑窗（virtuoso Layout Editing）和层选择窗（LSW：：Layer Select window）建立新文件 同时出现版图编辑窗和层选择窗(LSW) 5.3.2 层选择窗层选择窗(LSW)的设置的设置1. 对对LSW的说明的说明层选择窗 (LSW ) Current drawing or entry layerEdit menuTechnology fileInst buttonPin buttonAV and NV buttonsAS and NS buttonsScroll barLayers 1) Edit（编辑）——是个下拉式命令菜单，有六个子菜单2) 层符号——分三部分，① 左表示层的颜色及图案；② 中为层名；③ 右表示层的用途层的颜色及图案层名层的用途 3) Inst——设置Instance为可选或不可选。
4) Pin——设置布线工具 5)Technology file——技术文件名 6) AV和NV按钮① AV设置各层都可视（图a)；② 除输入层外，NV设置其余各层不可视(层符号变灰)（图b）；③ 击鼠标中键使各层在可视和不可视间转换（图c）； ④ 层原为可视，点击中键变为不可视，再点击又恢复可视（图d)； ⑤ 鼠标左键点击原不可视的层就变为可视，且成为输入层（图e） (a)(e)(d)(c)(b)7) AS和NS设置各层的选择性(后面介绍) 2. 对对LSW的设置的设置(1) 设置层符号 ① 在LSW中，选择Edit→Set Valid Layers…＝＞Set Valid Layer对话框 Set Valid Layer对话框 ② 点击层符号右边的选择开关，开关变黑，本层被选 ③ 点击Apply按钮，层符号出现在LSW中④ 点击LSW的Edit→Save，＝＞Save对话框⑤ 按Ok存盘 (2) 设置层符号的颜色和图案 ① 在LSW中，选Edit→Display Resource Editor…，＝＞“Display Resource Editor”对话框。
Display Resource Editor对话框 ② 设置层的填充类型（Fill sytle）、填充颜色（Fill color）、外框颜色（Outline Color）、点画（Stipple）和线型（line sytle） ③ 按Apply按钮 ④ 选File→Save…，＝＞“Save Display Resource File”框 ⑤ 在Files区点击左键，＝＞/root/display.drf, 左键点击，使它进入Selection的文本框，点击Ok关闭 ⑥ 对话框报告root/display.drf文件已经存在，按Yes键 建立显示文件 按Yes键得到新的显示文件 5.3.3 版图编辑窗的设置版图编辑窗的设置版图编辑窗 1. 图标栏（图标栏（Icon Menu) 图标栏包含的命令 2. 状态栏（状态栏（Status Banner) 位于版图编辑窗的第二行3. 菜单栏（菜单栏（Menu Banner)位于版图编辑窗第三行 4. 启动命令和取消命令的方法启动命令和取消命令的方法 (1) 启动命令 ① 从版图窗的菜单栏选命令。
② 点击版图窗的图标 ③ 用快捷键 (2) 取消命令 ① 按＜Esc＞键 ② 点击对话框中的Cancel (3) 命令的对话框 有两种对话框： 1) 标准框启动命令时自动出现2) 选项框 3) 显示对话框的方法： ① 若菜单命令后有三点，标准框会自动出现； ② 使用命令时双击中键或按＜F3＞键Move的选项对话框 5.3.4 使用使用Option菜单进行版图编辑窗设置菜单进行版图编辑窗设置 1. 显示命令显示命令 选命令Option→Display…＜e＞，＝＞“Display Options”对话框 (1) Display ControlsDisplay Options 对话框 (2) Grid Controls 4个参数的缺省设置为1、5、0.5和0.5对于1μm或者亚微米的设计规则，可设置为0.1、0.5、0.01和0.01 (3) Snap Modes 在下拉菜单中包含了各种选项Creat的模式 Edit的模式 2. 编辑器选项编辑器选项 选命令Option→layout Editor…＜E＞,＝＞“layout Editor Options”对话框 。
可以设置Gravity Controls（引力控制）、Conic sides（圆环边数)…等layout Editor Options 对话框 5.4 版图的建立版图的建立5.4.1设置输入层设置输入层(1) 鼠标左键单击LSW的层符号即为输入层2) 使用命令Edit →Layout Tap＜t＞光标点击目标图形，目标图形所在层就变为输入层5.4.2屏幕显示画图区屏幕显示画图区 刚打开的版图窗，，坐标原点在屏幕中央 （1）选命令window→Pan＜Tab＞，版图窗和CIW都显示： Point at center of the desired display：（希望显示的中点）用鼠标左键点击屏幕右上角某一点，该点立即移到屏幕中心，第一象限成为画图区 （2）用键盘上方向键实现坐标轴移动 5.4.3建立几何图形建立几何图形 1. 矩形（矩形（Rectangle）） 1）建立矩形命令：Create→Rectangle 2）选输入层 3）画矩形 (a) 点击左键 (b) 移动鼠标 (c) 点击左键建立矩形 (d) 完成的矩形 4）按＜Esc＞键停止画矩形命令。
2. 多边形（多边形（polygon）） （（1）方法1 ① 建立多边形命令：Create→polygon ② 选输入层 ③ 画多边形 (a) 点击第一点 (b) 继续点击 (c) 双击或按＜Enter＞键使多边形封闭 (d) 完成的多边形 （2）方法2 （a）矩形拼接或重叠形成多边形 （b）合并后的多边形 (3）加圆弧 ① 命令Create→polygon把多边形某一边画成圆弧 ② 双击鼠标中键或按＜F3＞键，出＝＞＝＞reate Polygon选项框 ③ 在框中点击Create Arc按钮 ④ 在多边形中画圆弧a) 点击起点 (b) 点击终点 (c) 移动光标可看到圆弧 (d) 点击建立圆弧 (3) 等宽线等宽线 (path) ① 建立等宽线命令Create→path ② 在LSW中点击输入层 ③ 双击鼠标中键或按＜F3＞键＝＞Create path 对话框 Create path 对话框 ④ 设置线宽度。
⑤ 画等宽线a) 每次点击建立另一段，终占双击 (b) 完成的等宽线 4. 圆锥曲线圆锥曲线 （1）圆（circle) ——命令：Create→conics→circle(a) 点击圆心 (b) 移动鼠标 (c) 在圆周上点击画圆 (d) 完成的圆 （2）椭圆（Ellipse）——命令：Create→conics→Ellipse(a) 点击边框第一角顶点 (b) 移动鼠标 (c) 点击边框对角顶点 (d) 完成的椭圆（3）圆环（Donut）——命令：Create→conics→Donut (a) 点击圆心 (b) 点击内圆周 (c) 点击外圆周 (d) 完成的圆环 5. 复制复制(Copy)——命令：Edit→copy，，或者选取Copy图标 6. 其它命令其它命令 (1）合并命令Edit→Merge＜M＞ 选中图形（图形高亮度），执行合并命令。
(2)切割命令 Edit→Other→Chop＜C＞例题：设计例题：设计CMOS反相器版图（反相器版图（用1.5μm设计规则）画版图步骤：(1)画P管有源区，如图(a）2)画多晶硅栅极：①用矩形；②用等宽线(path) 格点设置为每格0.5μma) 有源区矩形 (b) 用矩形画多晶栅极 (c) 用等宽线画多晶栅极 画P管有源区和多晶栅极 (3) 画源和漏区的接触孔 ①在源区画一个1.5μm×1.5μm接触孔，孔至多晶栅距离为1.5μm，如图(a) ②拷贝其余的接触孔（图(b)） ③将源区3个接触孔一次全部拷贝到漏区，漏区接触孔至多晶栅间距为1.5μm (a) 先画一个尺寸和位置都正确的孔 (b) 拷贝生成其它的孔 画接触孔 ④ MOS管宽度(W)和长度(L)的决定：在1.5μm设计规则中，若已知W/L比值，则W=(W/L)×1.5μm画一个接触孔时有源区的宽度≥3.1μm，画二个接触孔时宽度≥6.1μm，…；有源区矩形的最小长度L≥9.1μm。
⑤ 当有源区宽度＜3.1μm（为2μm）时，沟道区宽度不变，增大源区和漏区宽度≥3.1μm能画一个接触孔小宽长比MOS管的画法 有源区覆盖接触孔0.8μm，按＜Ctrl＞+＜z＞键将图形放大，使格点间距显示为0.1μm，容易画0.8μm的覆盖 (4) 在有源区外画P+注入矩形，最小包围为1μm (5) 画N阱，它对有源区的最小包围为2μm完成的P管如图(a) (6) 用拷贝方法画N管：画选择框把P管的P+注入、有源区和接触孔图形都选中，竖直下拉至合适位置（有源区与N阱相距8.5μm） 修改：① 选N管的W=6.1μm，在它的源漏区分别去除一个接触孔： ② 向上移动有源区和P+注入层矩形的下边，使有源区覆盖接触孔0.8μm； ③ 把P+注入层改为N+注入； ④ 多晶栅极向下延伸至N管有源区外至少0.8μma) 画P+注入和N阱 (b) 拷贝生成NMOS管 (c) 对拷贝图形作修改 画CMOS反相器过程 (7) 连线用Metal1层连接P管和N管的漏极作为反相器的输出，且用Metal1画电源线，如图(a)。
(8) 画一条Metal1线将P管源区的接触孔和电源线连接，如图(b) (9) 将电源金属线拷贝到N管下方作为地线，再画一根竖直的金属线将N管源区的接触孔和金属地线连接，如图(c) (10) 画衬底接触： ① 拷贝几个接触孔并旋转90°，放到电源金属线下 ② 画有源区矩形将上述接触孔包围 ③ 在有源区外画N+注入框 ④ 把N阱的上边拉到这个接触区上方，使N阱包围N+有源区(图(d)) (11) P型衬底和地线的接触： ① 将N阱接触的N+注入、有源区和接触孔拷贝到地线金属层图形下 ② 把拷贝的N+注入层改为P+注入层，如图(e) (12)加一段多晶和多晶栅极连接，作为反相器的输入；加一段金属和输出金属线连接，作为反相器的输出导线，如图(f) (13）将线名标注到图中，并且把各层图形中由矩形组成的多边形进行合并 完成后如图(g) (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 画CMOS反相器过程（续） 5.5 版图的编辑版图的编辑5.5.1 设置层的可视性设置层的可视性1. 显示一层显示一层 有二种方法: 1) 显示层设置为输入层， 鼠标点击LSW上NV按钮，选命令window→Redraw＜^r＞。
2) 按＜shift＞键，鼠标中键点击LSW中的显示层，选命令window→Redraw＜＜^r＞＞ 2. 增加显示层增加显示层 鼠标左键点击LSW中增加的显示层，按快捷键＜^r＞ 连续点击LSW的层，可以不断增加显示层 3. 显示所有的层显示所有的层 点击LSW的AV按钮，再按快捷键＜^r＞ 4. 减少显示层减少显示层 鼠标中键点击LSW中要减少的层符号，再按快捷键＜^r＞被减少的显示层不能为输入层） 连续使用可以不断减少显示层 5.5.2 测量距离或长度测量距离或长度 1. 用直尺测量用直尺测量 1）命令window→Create Ruler＜k＞＝＞对话框在测量起点按鼠标左键，显示0移动光标至终点按左键，测量数据在终点上方Create Ruler 对话框 2）选命令window→Clear All Ruler＜K＞，消除显示的全部测量数据2. 状态栏显示坐标及距离状态栏显示坐标及距离 5.5.3 图形显示图形显示 1. 显示单元版图的全貌显示单元版图的全貌 命令Window→Fit All＜f＞ 2. 返回前面的图形返回前面的图形 命令window→Utilities→Previous View＜w＞。
3. 图形的放大和缩小图形的放大和缩小 1）命令Window→zoom→In＜z＞,图形全屏显示 2）命令Window→zoom→In by 2＜^z＞，图形放大2倍 3）命令Window→zoom→Out by 2＜z＞，图形缩小1半 4. 用鼠标放大和缩小图形用鼠标放大和缩小图形 1）放大图形：按右键并拖动画矩形框，框内图形全屏幕显示 2）缩小图形：按＜shift＞键不放，同时按右键并拖动鼠标画任意的矩形，图形缩小到与矩形同样大小 5. 使用键盘的光标移动键使用键盘的光标移动键 显示图形的不同部分，显示需要编辑的区域5.5.4 选择目标选择目标 LSW有NS和AS两个选择按钮（版图层不可选和可选）选择包括全选（full）和部分选（partial）两种方式，显示在版图窗的状态栏： Full方式 Partial方式 用＜F4＞键切换两种选择方式 1. 图形可选（即选图形可选（即选LSW中的中的AS）的选择）的选择 (1) 用鼠标选择目标 1) 移到光标到目标图形上，图形边框变为动态高亮度。
2) 左键点击目标，图形边框变为高亮度；在全选方式，目标边框全部高亮度 3) 按快捷键＜^d＞消除选择，或左键在图形外空白区点击一次，图形去除选择 4) 选择一个目标后，再选第二个目标，前一个目标就不再选中 5) 增加选择目标，按住＜shift＞键，并用左键点击新目标，可连续选多个目标 6) 减少选择目标：按住＜Ctrl＞键，并用左键点击要减去的目标 (2) 使用选择框选择目标 1)选择集中的多个目标，用鼠标左键画矩形框包围目标 2)被选择目标数显示在（F）select：的冒号后 2. 部分选择部分选择——(p) select：：0选择目标的边、角和整个图形 3. 使用使用LSW设置层的可选性设置层的可选性 1) 点击LSW的AS按钮，层符号全部可选（图a） 2) 点击NS，层符号全部不可选(层符号的中间和右边变灰)（图b) 3) 点击鼠标右键使各层在可选和不可选间转换：原为可选，点击一次变为不可选，再点击又恢复为可选 (图c：右键点击了一个层符号) 4)原为不可选，右键点击一次变为可选，再点击又恢复为不可选 (图d：右键点击了二个层符号）。
(a) (b) (c) (d) 5.5.5 改变图形的层次改变图形的层次三种方法： 1) 消除原图，在新层重画相同的图 2) 用拷贝实现图形层次的改变 3) 用属性改变图形所属的层 ① 选中图形，图形高亮度； ② 按＜q＞键：图形是矩形＝＞Edit Rectangle Properties框； 图形是多边形＝＞Edit polygon Properties框 要改变层次的图形为矩形 要改变层次的图形为多边形 改变框内layer的层符号，按Ok键 5.5.6 加标记加标记命令：Create→ Label...＜＜l＞＞＝＞Create Label对话框Label对话框 各种字形 产生信号非的标记： 如Abar 用Overbar选项输入文本 5.6 棍棒图棍棒图 解决布局问题，画版图设计的草图 “混合棍棒图”法：矩形代表有源区(宽度不限)；实线代表金属；虚线代表多晶硅；“×”代表接触孔。
其它层次不画,通常靠近电源vdd的是P管，靠近地线gnd的是N管 （a）CMOS反相器；（b）2输入CMOS与非门；（c）2输入CMOS或非门 CMOS电路的棍棒图 5.7 版图设计方法概述版图设计方法概述5.7.1 版图设计方法版图设计方法 1.全定制设计法全定制设计法（full-custom design approach) 2.半定制设计法半定制设计法（semi-custom design approach) 3.定制设计法定制设计法（custom design approach) 5.7.2 层次化设计层次化设计 1. 层次化设计概层次化设计概念 多边形版图层为level-1；level-2由level-1的例图和多边形构成；level-3包含多边形、level-1和level-2单元的例图；最高层（level-4）由多边形及level-1至level-3所有单元的例图构成单元层次 2. Instance的调用的调用——画2输入多路选择器(Mux2) 的版图 Mux2 电路图 1）命令Create→Instance...＝＞＝＞Create Instance对话框。
Create Instance对话框 2）Instance复制前，按鼠标右键可以逆时针方向旋转 图 5.77 Instance的旋转 3）可以将原图放大或缩小后再复制 （a） （b） （c） 3. 例图的修改例图的修改 1）在原来层次进行 2）“打平（flatten)” 4. 把复制的例图打平把复制的例图打平 Instance的调用和打平 1) 选中图形2）选命令Edit→Hierarchy→Flatten...＝＞＝＞Flatten 对话框3）缺省设置，点击Ok键左起第二个与非门被打平 Flatten 对话框 Mux2版图 。