【集成电路版图设计学习笔记】1. Introduction to Layout Design

一、Introduction

芯片各部分介绍

  • 左边的chip中黑色的是package,中间的是die才是真正的芯片。周边是通过金线把引脚打线到package上,然后通过上面的金属引脚引出连接到外部的电路上。
  • 里面的die就是wafer上切割下来的芯片,其设计图纸就是右边的layout

版图定义了掩膜板的几何图像

  • 集成电路的版图layout实际上是定义用来加工集成电路掩膜版mask的几何图形,这个掩膜版多层级的。
  • 下图中不同颜色表示了不同的层次,foundry(代工厂)就是根据我们所绘制的层级图形来加工掩膜板。
  • 不同层次最终使重叠在一起的,我们在画版图的时候是以俯视的角度去看这些图层,实际上它是立体的结构

模拟与数字电路设计对比

  • 在设计版图的时候,一定要遵循所使用工艺的design rule设计规则,其会说明版图各层次的约束条件。
  • 有两类电路设计
    • digital数字电路设计 :影响速度的特性
      • 降低信号延时
      • 降低芯片的面积,同一个wafer上可以生产出更多的芯片,进而降低成本
    • analog模拟电路设计 :影响电路的速度和精度,因此在设计版图需注意
      • 器件的对称性、匹配、寄生电容、失调、信号间串扰、优化互连线

模拟与数字版图对比

  • 左边的数字电路的芯片die可以看到,它的器件和线的摆放很乱,没有什么对称性等规律,但这并不会影响到数字电路的功能。这个版图更关心的是如何把版图的面积缩小
  • 而对于右边的模拟电路,其有很好的对称性,这是因为在画模拟电路版图的时候,要充分考虑其匹配、噪声等因素。为了达到这些效果,可能会牺牲一些面积。

二、Tapeout Flow流片流程

  • 整个过程分为两个部分完成,设计和加工是分开的。在design house设计公司完成的版图layout图纸,交给foundry代工厂去加工芯片
  • 设计好的layout图纸是通过GDSII文件交付给foundry,这个过程就是tapeout流片。
  • 但是foundry在拿到GDSII文件后还是要做一些检查的,查看是否符合其加工的规则,如果不符合会返送回design house。直到双方都确认设计的GDSII没有问题了,就会生成job view,就是把图纸显示出各个层次出来查看。
  • 如果job view没有问题了,就会送给foundry进行mask fabrication掩膜板加工,就可以去做IC fabrication进行光刻了。最终就能生产出chip。

三、optical proximity correction(opc)光学棱镜校正

  • 由于加工芯片用的mask里面的几何图形都是非常小的,是微米级或者纳米级的,那么它们在去加工的时候,由于衍射现象,光学系统是非理想的,导致通过mask去光刻,把图形影印到光刻胶上。光刻胶上的图形和mask上的图形并不是完全一致的。
  • 整个光刻过程就是用mask把图形影印到光刻胶上,然后再通过其他工艺,才可以把图形转移到wafer上。在这个过程中,就会出现因为光学系统的非理想性,会导致光刻胶上的图形和掩膜板上的图形并不完全一样。最终导致加工出来的图形和layout设计的不太一样。
  • 如下图所示,在design pattern中设计的是矩形,但是实际加工出来的就变成圆弧状了,而且导线的宽度不一致。有些甚至加工不出来,丢失了。这样就会导致加工出来的特性和预期不一样。
  • 因此,就需要OPC(光学棱镜校正),他实际上是通过一些计算的手段,去修改所绘制的图形,把它做一些变换,然后经过这个校正之后之后的图形,会和原来预期设计的版图更加吻合。可以发现经过OPC校正后的mask pattern跟原有的design pattern是有一些偏差的,而这些偏差恰恰能够弥补光学系统加工出来的误差
  • 我们在做job view的时候,其掩膜板图形都是经过OPC的

四、集成电路设计流程

数字IC

  • 首先进行logic design,就是写verilog代码,把idea用语言的形式描写出来,是理想的状态。
  • 第二步,进行logic synthesis(逻辑综合),把verilog描述的功能变成门级网表,也就是把语言描述的东西翻译成用门电路搭出来的电路结构。
  • 第三步,进行布局(Floorplan),也就是这些逻辑的门在版图上应该怎么排布,会有EDA的软件去完成这些功能。完成之后会进行timing check时序的检查,主要是检查布局后(考虑物理器件)和最初的逻辑设计是否吻合。如果不能通过的话,就需要去修改verilog的文件了,知道timing check通过。
  • 通过之后就会进行Place & Route Tools,布局和布线,就是要把真实的门级电路的版图以及线的实际物理属性都添加进去。完成之后就能形成一个数字电路版图的雏形了。然后,在看看加入真实器件后,还能不能满足最开始设计的逻辑(timing check)
  • 如果满足了,就进行生成GDSII文件的过程了,这里需要添加一个digital library(数字文件库),这是因为在布局布线的过程中添加的门电路版图都是黑盒子,这些黑盒子中描述了门级电路的物理属性,但是它里面并没有真实的版图结构。这样我们就可以得到包含所有器件的真实版图结构的GDS文件,这个文件还要去做一个DRC和LVS检查,检查的主要作用是看版图是否满足设计规则,或者逻辑生成网表。如果都通过了的话,那么说明这个版图是可加工的,同时版图中的器件连接关系是符合最开始的逻辑。就可以生成最终的GSDII文件了

模拟IC

  • 模拟IC设计版图的过程与数字相比,自动化的程度相对更低一些,主要还是基于手动绘制
  • 首先,在有idea后,进行circuit design。这并不像数字电路,用语言去描述一个功能,主要用最基本的电路器件(晶体管,电阻,电容电容)去做连接,来形成这样的电路结构,这个电路结构实现的输入输出功能是符合预期的。
  • 第二步,进行仿真(simulation),仿真这套电路的功能是否和最开始的想法一致。主要从两个方面继续进行仿真,一个是时域(time domain)查看真实信号波形,另一个是频域(frequency domain)
  • 第三步,进行layout,就是通过一个一个管子去绘制出模拟电路的版图
  • 第四步,进行DRC(是否满足设计规则)和LVS(检查器件连接关系)验证
  • 第五步,进行寄生参数提取(parasitic extraction),也就是将版图的寄生参数提取出来,将寄生信息反标到最初的原理图netlist上,就会生成后仿网表,体现后仿的信息了。

physical verification(DRC和LVS)

  • DRC:design rule check设计规则检查。由于designrule中有大量的图形尺寸约束,主要靠软件EDA去检查,查看绘制的图形是否满足design rule的要求。
  • LVS:layout versus schematic版图对原理图。检查版图之间器件的连接关系与原理图是否一致。如果LVS能过通过,说明你的版图是能够真实反映最初的设计

post simulation(后仿)

  • 后仿才能从很大程度能够检查出设计的版图的优劣程度
  • 原理图中的连线都是理想的,但实际上,金属线之间时存在寄生的,在考虑实际版图上的寄生后,会引入大量的寄生电阻和电容。
  • 后仿真首先要做的是PEX(parasitic extracion寄生参数提取),
  • 如果后仿真都可以通过的话,那么说明版图画的挺不错的。如果不通过,那么就需要回去修改GDSII文件
  • 但是后仿真也是有一定的局限性的,比如说器件加工过程中导致的器件失配是无法仿真出来的

Layout Design Tools(版图设计工具)

  • 主要是有两个设计工具
  • Cadence主要用于做版图设计
  • Mentor主要用于做版图验证

Cadence设计案例(反相器)

  • 下图使用到的版本是比较老的IC5141,这些软件都是基于Linux平台的

  • 启动的话,先要打开ternimal终端,输入软件的启动指令。对于IC5141来说,他的启动指令就是icfb,后面还要加入&是linux系统的用法,表示在后台运行,就是如果把terminal关掉了,这个软件也不会被关掉,否则这个软件是和ternimal绑定的,如果在前台运行,而ternimal不小心被关掉了,软件也会跟着被关掉。

  • 对于IC615以上的软件,他们的启动指令的virtuoso &,

  • 打开后会有三个选项,我们打开tools项

  • 然后点击Library manager,这是管理整个设计目录的。

  • 打开之后会有三列,第一列是Library,这里会有很多的设计工程在里面。

  • 点开每个工程后,会有很多的cell,即各种的电路单元

  • cell下还有很多的view,view最重要的是layout、symbol、spcture

  • 这里新建一个new library,这个library一定要绑定到某个工艺上,这个工艺会有foundry提供的PDK(process design kits)

  • PDK是包含了全套的building blocks,即最基本的搭建单元,包含基本器件的symbol,DRC\LVS等等文件

  • 新建library会弹出一个框

  • 输入library的名字,底下还有存放的路径,如果不改的话,默认就是terminal的启动位置

  • 重要的是右边的technology file,一般是绑定在已有的tech file上。只要绑定好之后,那么新建的library上都会有工艺的tech file信息

  • 这样新建的library就会有tech file的信息。

  • 然后就要新建一个cell,同时还要有对应的view

  • 然后是打开schematic editor,在这里可以做原理图的设计。

  • 比如要做一个反相器,那么就需要添加instance,快捷键是i

原理图设计快捷键
  • 做好的反相器原理图如下所示。
  • 红颜色棱形的是pin。由于整个器件会生成symbol的,其与外界连接需要有一个接口,这些pin实际上就定义了这些symbol与外界连接的接口。
  • 这些pin是有不同的类型的,input是输入属性的,output是输出属性的。输入属性是一定要连接到输出属性的。可以两个输入连接在一起,并联在一起时可以的。但是如果两个输出并联在一起,软件会有一个提示警告短路了,这种情况要根据实际设计来判断是否有问题。
  • 电源vdd可以作为双向属性inputoutput,既可作为输入,也可以作为输出。还有像开关的两端,很难说那个是input那个是output,就可以两个端口都设置为inputoutput双向属性。
  • 做完原理图之后,要点击check and save
  • 有了schematic之后,就要生成symbol
  • 自动生成的symbol一般都是矩形的。
  • 也可以自己去修改绘制想要的symbol
  • 有了symbol之后,可以再去新建一个schematic
  • 然后打开ADE仿真窗口,


  • 仿真结束后,就可以去做layout了

版图设计快捷键




  • 弹出的窗口中,include对应的路径文件就是保存的对应器件的寄生参数信息

IC设计平台文件管理

  • 整个IC设计平台管理是遵循层级化管理(Hierarchically Organized Project)的
  • 最基本的单元(比如开关、偏置电路、放大器),这些都可以作为A1,非常基础的单元。每个单元都有自己的三个view,即schematic symbol,layout。在画版图的时候,先要把最底层的layout都画出来。
  • 然后是相对高层次的,比如开关电容放大器,可以把底层的开关,电容都调用过来,不是调用其schematic,而是调用其symbol。直接用symbol就可以表示这些schematic了。

五、版图设计要求

  • 在模拟电路的版图设计中,需要一些IC工艺的基本加工流程知识,这样才能知道你加工的层次对应的哪层掩膜板,以及对应的作用是什么。
  • 具备电路设计的知识
  • 模拟版图需要大量考虑匹配和寄生,因此需要很多的耐心
  • 由于layout是多层次的图形绘制,需要前期的规划,考虑好整体的布局,哪些器件需要匹配,哪些器件需要隔离
  • analog midsets(模拟电路的思维),要考虑噪声匹配失效这些内容

Design rule terminologies(设计规则术语)

  • size表示的是正方形的边长,通常用来约束contact和via
  • spacing表示两个层次之间的距离,可以是同一层次的,也可以是不同层次的
  • enclosure表示包裹,enclosure of A beyond B表示A要包裹B,即A要比较大,要完全覆盖住B,且A和B之间的距离就表示enclosure
  • extension表示延出,即某个图形的边超出另一个图形的边界的距离
  • overlap表示交叠,即两个图形重叠程度是多少。
  • Fig1中,矩形的宽度长度要求都是用wist约束的,要求最小的宽度。
  • Fig2表示size
  • Fig3表示同层次的spacing要求
  • Fig4表示不同层次的spacing要求,虽然他们在立体上是不同层次的,但是他们之间的投影距离还是有一定约束的。
  • Fig5表示enclosure包裹,A要包裹B,且A的边缘要超出B的边缘一定程度。
  • Fig6表示extension延出,
  • Fig7表示overlap,即A和B的重叠大小。

六、CMOS 晶体管参数

  • finger(叉指数):将晶体管的gate(栅极)截成好几段,像手指一样
  • multiplier(乘数):将相同的晶体管进行复制

七、IC的横截面(cross-section)

  • 体现IC的立体结构,
  • 1P4M:P是指ploy的缩写,M是metal的缩写。1P4M表示该工艺提供一层多晶硅四层金属
  • 左图中,ACT表示衬底有源区(active),会通过contact(CT接触孔)连接到M1(金属层1)
  • MT表示最顶层(top)金属,本来是M4,被表示为MT了
  • 金属层在立体上是分开不同层次的,金属层之间是有不同颜色的绝缘层(silicon dioxide)隔离的,因此他们之间时没有电学连接的。
  • 如果想把金属层之间连接在一起,就要通过通孔(via),其中V1表示metal1和metal2之间的连接
  • 从金属层1到4的厚度大概是5um。金属层的厚度大概是500nm(0.5um)
  • 从俯视图看两条金属线是平行的,但从立体的角度看,像一堵墙,具有一定的厚度的。这样金属侧壁之间会形成寄生电容,电容的大小跟金属板的面积相关,如果两条金属线走的很长的话,那么它们之间的寄生就会很大,不容忽略了,对信号产生影响。

八、CMOS 制作工艺流程

    1. Grow field oxide(fox)生长场氧化,现在的CMOS是生长在p型衬底上的,场氧的作用是进行器件隔离。在同一个硅衬底上,会同时加工很多个mosfet,要形成电学隔离,就要常量,因为他是oxide绝缘的,通过他来隔离。这个工艺一般是在0.35um以上才使用,如果是在0.35以下深亚微米的工艺,一般都会用STI(浅沟槽)进行隔离,也就是先在没有气垫的位置挖一个坑,然后在坑上填氧化物,再用化学机械抛光的方式把表面打平。
    1. etch oxide for pMOSFET,把场氧磕掉一部分,是为了第3步,做n阱的注入(PMOS)
    1. Diffuse n-well做n阱的注入
    1. etch oxide for nMOSFET,再磕掉一部分场氧,形成nmos。其中PMOS是建立在n阱上的,NMOS是建立在p-sub上的。
    1. grow gate oxide生成栅氧,形成mosfet的gate
    1. Deposit ploysilicon垫积多晶硅(绿色的部分)
    1. Etch polysilicon and oxide将多晶硅和场氧刻掉,这个过程需要使用到光刻
    1. Implant sources and drains源漏极的粒子注入,这样就形成了nmos和pmos
    1. grow nitride做互联,生长一些氮化物
    1. Etch nitride挖洞
    1. Deposit metal垫积金属
    1. Etch metal金属的刻蚀,这样就做出了互连线

立体结构

  • 以p衬底上加工pmos为例介绍整个工艺流程会用到哪些掩膜板

1.Nwell lithography(N阱的光刻)

  • 由于在P衬底上要加工出pmos,这需要n阱。因为pmos的衬底一定是n型的,但是整个衬底是p型的,所以先做出n阱出来,然后在n阱中做pmos。
  • 因此,做n阱就需要进行光刻,所以这里用到了一个layer为Nwell。
  • 从俯视图看是一个矩形,以AA'为横截面看立体图形。
  • P衬底上会有一层二氧化硅SiO2,再上面会涂上一层Photoresist光刻胶。
  • 然后用Nwell定义的掩膜板mask,用它进行光刻。也就是画了Nwell的位置是透光的,光线会打在光刻胶上。然后光照到的光刻胶那部分会发生一定的变性,那部分光照到的光刻胶会被去除掉。

2.Oxide etching(刻蚀氧化层)

  • 接下来,把被去除掉的那部分光刻胶,底下的二氧化硅给刻蚀掉,这样就把底下的P衬底表面露出来了

3.Nwell implantation(N阱注入)

  • 接下来进行注入N阱。
  • N型的离子注入是全范围的离子注入,其他地方由于有二氧化硅层的保护,不会打到底下的P衬底上。只有通过N阱掩膜板把开了口的二氧化硅层的那部分裸露出来的P衬底才能真正接收到N型的离子注入。使得这部分Psub才会形成N阱。
  • 注入的N阱会延伸到二氧化硅边缘的底下是因为离子注入之后,会有向周围的一些扩散
  • 目前还只用到Nwell的光刻板

4.Si3N4 deposition(淀积氮化硅)

  • 首先还是得生成一部分二氧化硅来弥补前面刻蚀掉的硅层,然后再淀积上二氧化硅,然后再涂上光刻胶

5. Active lithography(有源区光刻)

  • 定义有源区,有源区是用来形成器件的,有源区以外的区域都是场氧,对于先进工艺都是STI隔离。
  • 用有源区这张掩膜板mask去做光刻,来达到这个光刻胶上。
  • 注意这个光刻胶的极性是跟刚才的光刻胶是反着的,也就是这个光刻胶接收光照的区域会变硬保留下来,而没有被光照到的地方会被刻蚀掉。
  • 这样就会把有源区的图形复制到光刻胶上了

6. Si3N4 lithography(氮化硅刻蚀)

  • 氮化硅刻蚀也是全局刻蚀,但是因为光刻胶的存在,其会保护下面的氮化硅免于被刻蚀掉。这样就会把光刻胶以外的氮化硅都给刻蚀掉了,只保留光刻胶下面的氮化硅。
  • 这样就把active上掩膜板mask的图形又复制到氮化硅上来了。

7. FOX growth(生长场氧)

  • 生长场氧field oxide(FOX)
  • 对于有氮化硅覆盖的区域是不会生长场氧的,只有以外的区域才会生长场氧
  • 生长完之后,再把氮化硅给去掉
  • 这样只有 有源active区域对应位置的N阱才会被裸露出来,剩下的都是场氧隔离层
  • 目前已经用了两个layer掩膜板,Nwell和Active

8. Thin gate oxide growth(生成栅氧化层)

  • 再刚才的基础上,再生长一个很薄的栅氧化层。

9. Ploysilicon deposition(淀积多晶硅)

  • 在做gate之前,要先做多晶硅的淀积(光刻胶和FOX之间深红色区域),它会把整个表面都淀积上同等厚度的多晶硅
  • 之后为了把gate的图形刻蚀出来,就要进行下一步光刻了,就要涂上光刻胶了

10. Gate lithography(栅极光刻)

  • 然后回使用到新的layer,就是poly(多晶硅),通常用来加工mosfet的gate
  • 这部分的光刻胶,被光照到的保留下来,没被光照到的会被刻蚀掉

11.polysilicon etching(刻蚀多晶硅)

  • 由于刚才被光照到的那部分光刻胶保留下来,所以这部分的多晶硅会被保留下来,其他部分没有光刻胶保护的都被刻蚀掉了。这样就形成了mosfet的gate

12.Spin-coated photoresist

  • 再进行涂光刻胶

13. N+ lithography(N+的光刻)

  • 接下来要形成衬底接触,注入漏源的离子
  • 由于加入的是pmos,是加工到N阱衬底里面的。所以左边留下的有源区(浅蓝色)就是为了加工衬底接触的
  • 用掩膜板把光照到的光刻胶给清洗掉

14. N+ implantation(N+的离子注入)

  • N+的离子注入也是全范围的注入,但是在有光刻胶保护的区域会被隔离打不到底下,没有光刻胶保护区域才能被N+给注入进去,打入到N阱里面
  • 那么在N阱的那部分区域会形成N+的离子区域,可以做N阱的接触
  • 目前为止已经使用了四个layer,也就是四个掩膜板

15. N+ implantation complete()

  • 接下来要做源漏了,到目前为止,已经把N+给加工完了,目前加工好的mosfet长下面这样

16. P+ lithography(P+光刻)

  • 接下来要做源漏区了,由于是PMOS,所以还要注入P+的注入,所以还要再加一层P+的掩膜板
  • 同样用光照射下面的光刻胶,使得光照到的那部分区域的光刻胶会被刻蚀掉,剩余的区域会被保留下来

17. P+ implantation(P+注入)

  • 进行全范围的P+离子注入,只有开口的这部分区域会注入P+离子。其他部分有光刻胶保护不会被注入P+离子,而gate区由于有多晶硅(poly)的保护,也不会有P+区

18. P+ implantation complete(完成P+注入)

  • 完成P+离子注入后的mosfet区域是长这样的
  • 目前已经使用了5个layer

19. Thick oxide deposition(淀积厚氧化层)

  • 接下来要做金属互连了,在这之前首先要生成厚氧化层,与金属做绝缘的处理

20. Contact lithography(互连光刻)

  • M1连接到下面的有源区或者是gate,都是contact(CT)连接的
  • 所有contact都是一个正方形的小孔
  • 使得接收光照的那部分光刻胶会被刻蚀掉

21. Thick oxide etching()

  • 光刻胶上会形成若干个小洞,这些洞都是跟layout上的洞是一致的
  • 有了这些洞,就可以在这些洞上做一些刻蚀
  • 其他位置由于有光刻胶的保护,不会对下面的氧化层刻蚀。而没被光刻胶保护的区域(小洞口)的底下的氧化层会被刻蚀掉,直到下面的有源区

22. Tungsten deposition(淀积钨)

  • 然后就对被刻蚀掉的氧化层区域淀积金属钨,这些钨就是contact
  • 目前已经使用了6个layer了,已经把mosfet的GBSD都有金属钨(互连线)连接出来了

23. Metal 1 lithography(金属M1的光刻)

  • 下面就是要用金属做往上的连接
  • 首先,把整片区域都垫积上金属M1,再这基础上再铺上一层光刻胶。然后再用金属M1对应的掩膜板,进行光刻。对应与layer的蓝色区域,将GBSD区域都用M1给覆盖上。对应的掩膜板有图形的区域是镂空的
  • 这里使用到的光刻胶是反胶,接收光照的区域会被保留下来,剩下未被光照的区域会被清洗掉。

24. Metal1 etching(金属1的刻蚀)

  • 使用金属1的刻蚀工艺,对金属进行刻蚀。有光刻胶保护的金属1区域就不会被刻蚀掉,没有光刻胶保护的区域都被刻蚀掉了。
  • 这样就把在M1 layer上绘制的图形,成功转移到金属M1上了。

25. Metal1 interconnection(M1的互连)

  • 这样就完成了金属M1层的互连了
  • 目前已经使用了7个layer了,绘制出了右上角的版图

26. Multiple metals interconnection(多层次金属互连)

  • 接下来就是进行高层次金属层的互连了,使用到通孔via,和更高层次的金属。金属层之间都是有绝缘介质的,他们之间的连接通过通孔via
  • 注意mosfet是四端口器件,要记住还有衬底B
  • 这里把氧化层做透明化的处理,因为二氧化硅就是玻璃

九、CMOS晶体管

  • CMOS工艺中既有PMOS也有NMOS,由于它们都是加工到P衬底上的,所以nmos是加工在P衬底上的,pmos是加工在nwell上的。
  • 原理图schematic,为反相器,即输入的脉冲和输出的脉冲是反向的。
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