中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第5章物理设计的基本要素 本章目录 ◆51基本概念 ◆5.2基本结构的版图 ◆5.3单元概念 ◆5.4FET的尺寸确定和单位晶体管 ◆5.5逻辑门的物理设计 ◆5.6设计层次化 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.1基本概念 物理设计中多边形的例子 Figure 5.1 Examples of polygons in physical design 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 2
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 1 第 5 章 物理设计的基本要素 章 物理设计的基本要素 本章目录 5.1 基本概念 5.2 基本结构的版图 5.3 单元概念 5.4 FET的尺寸确定和单位晶体管 5.5 逻辑门的物理设计 5.6 设计层次化 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 2 §5.1 基本概念 物理设计中多边形的例子
§5.1基本概念 CAD工具 基本工具： ·Layout Editor:版图编辑器 辅助工具： ·LVS:Layout versus Schematic版图与电路图对照 ·DRC:Design Rule Check设计规则检查 ·ERC:Electrical Rule Check电气规则检查 ·LPE:Layout Parasitic Extraction版图寄生参数提取 ·Place and Route::布局布线 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 p衬底(n阱)CMOS工艺： 0从p型衬底开始 7多晶接触 (Poly contact) 1n阱(nWell) 8金属1(Metal1) 2有源区(Active) 9通孔(Via) 3多晶(Poly) 10金属2（Metal2) 4p选择（pSelect) 11覆盖玻璃（Overglass.) 5n选择(nSelect) 6有源区接触（Active contact) 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 3 CAD工具 辅助工具： • LVS：Layout versus Schematic版图与电路图对照 • DRC：Design Rule Check设计规则检查 • ERC：Electrical Rule Check电气规则检查 • LPE：Layout Parasitic Extraction版图寄生参数提取 • Place and Route：布局布线 §5.1 基本概念 基本工具： • Layout Editor：版图编辑器 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 4 §5.2 基本结构的版图 p衬底（n阱）CMOS工艺： 0 从p型衬底开始 1 n阱（nWell） 2 有源区（Active） 3 多晶（Poly） 4 p选择（pSelect） 5 n选择（nSelect） 6 有源区接触（Active contact） 7 多晶接触（Poly contact） 8 金属1（Metal 1） 9 通孔（Via） 10金属2（Metal 2） 11覆盖玻璃（Overglass）
§5.2基本结构的版图 设计规则：只针对掩模上的图形 Figure 5.2 Minimum line width and spacing 设计尺寸：版图尺寸。 有效尺寸：在芯片上最终生产出来的尺寸。 曼哈顿几何形状：所有的转角都是90°的倍数 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 §5.2.1n阱 nWell Snw-nw nWell nWell nWell n-well n-well p substrate M-wnw制 M-wnw制 (a)Cross-section (b)Mask set Figure 5.3 n-well structure and mask ww=n阱掩模图形的最小宽度 Snw-nw=相邻n阱的边至边的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 6
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 5 §5.2 基本结构的版图 设计规则： 曼哈顿几何形状：所有的转角都是90°的倍数 设计尺寸：版图尺寸。 有效尺寸：在芯片上最终生产出来的尺寸。 只针对掩模上的图形 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 6 §5.2 基本结构的版图 §5.2.1 n阱 •wnw=n阱掩模图形的最小宽度 •snw-nw=相邻n阱的边至边的最小间距
§5.2基本结构的版图 §5.2.2有源区 Active Active Active FOX-ZD Silicon substrate Sa-a (a)Cross-section (b)Active patterns Figure 5.4 Active area definition FOX=NOT(Active) FOX+Active=Surface w,=一个有源区图形的最小宽度 s=有源区掩模多边形边至边的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 §5.2.3掺杂硅区 n+区的设计 nSelect nSelect Active FOX OX sa-n n+ wa sa-n Active (a)Cross-section (b)Mask set Figure 5.5 Design of n+regions n+=(nSelect)n(Active) w,=有源区的最小宽度 sa-n=有源区至nSelect的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 8
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 7 §5.2 基本结构的版图 §5.2.2 有源区 •wa=一个有源区图形的最小宽度 •sa-a=有源区掩模多边形边至边的最小间距 FOX=NOT(Active) FOX+Active=Surface 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 8 §5.2 基本结构的版图 §5.2.3 掺杂硅区 n+=(nSelect)∩(Active) •wa=有源区的最小宽度 •sa-n=有源区至nSelect的最小间距 n+区的设计
§5.2基本结构的版图 p叶区的设计 pSelect pSelect Active Sp-nw sa-p FOX p+ FOX n-well KSa-p sp-nw Active nWell (a)Cross-section (b)Mask set Figure 5.6 Design of a p+region p+=(pSelect)n(Active)n(nWell) w=有源区的最小宽度 sap二有源区至pSelect的最小间距 sp-w=pSelect至n阱的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 §5.2.4M0SFET 制L← nSelect nFET掩模 Active W Poly Figure 5.8 Masks for the nFET nFET=(nSelect)n(Active)n(Poly) n+=(nSelect)n(Active)n(NOT[Polyl) L=w。=多晶的最小宽度 ·d。-多晶离开有源区的最短露头 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 10
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 9 §5.2 基本结构的版图 p+=(pSelect)∩(Active) ∩(nWell) •wa=有源区的最小宽度 •sa-p=有源区至pSelect的最小间距 •sp-nw= pSelect至n阱的最小间距 p+区的设计 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 10 §5.2 基本结构的版图 •L=wp=多晶的最小宽度 •dpo=多晶离开有源区的最短露头 nFET=(nSelect)∩(Active) ∩(Poly) n+=(nSelect)∩(Active) ∩(NOT[Poly]) nFET掩模 §5.2.4 MOSFET
§5.2基本结构的版图 pSelect 制L nWell pFET掩模 W Active po士 Poly Figure 5.10 pFET mask set pFET=(pSelect)n(Active)n(Poly)n(nWell) p+=(pSelect)n(Active)n(nWell)n(NOT[Poly]) 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 MOSFET的设计值及有效值 Drawn L← 有效沟道长度： L0=L-2L0 Active L =L-△L Lo Poly Lo Drawn n+ Lo W Leff p-substrat 有效沟道宽度： W面=W-△W Poly (a)Drawn layout (b)Finished view Figure 5.11 Drawn and effective dimensions of a MOSFET 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 12
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 11 §5.2 基本结构的版图 pFET=(pSelect)∩(Active) ∩(Poly) ∩(nWell) p+=(pSelect)∩(Active) ∩(nWell) ∩(NOT[Poly]) pFET掩模 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 12 §5.2 基本结构的版图 MOSFET的设计值及有效值 L L Leff L L = − Δ = − 2 0 有效沟道长度： Weff = W − ΔW 有效沟道宽度：
§5.2基本结构的版图 §5.2.5有源区接触 Active contact Select Active Ox1 Active Contact n+ p+ p n-well Sa-ac dac.h (a)Cross-section (b)General mask set Figure 5.12 Active contact formation saa=有源区和有源区接触之间的最小间距 dc,一接触垂直方向的尺寸 dach=接触水平方向的尺寸 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 3 §5.2基本结构的版图 §5.2.6金属层1 Metal1与有源区接触 Select Sml-ac Metall wml p Active Metall (a)Cross-section (b)General mask set Figure 5.13 Metall line with Active Contact wml=Metal1线的最小宽度 sml-nI=Metal1和Metal1之间的最小间距 sml.ac-Metal1至有源区接触的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 14
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 13 §5.2 基本结构的版图 §5.2.5 有源区接触 •sa-ac=有源区和有源区接触之间的最小间距 •dac,v=接触垂直方向的尺寸 •dac,h=接触水平方向的尺寸 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 14 §5.2 基本结构的版图 §5.2.6 金属层1 •wm1=Metal 1线的最小宽度 •sm1-m1=Metal 1和Metal 1之间的最小间距 •sm1-ac=Metal 1至有源区接触的最小间距 Metal 1与有源区接触
§5.2基本结构的版图 采用多个接触来降低接触电阻 n+or p+ Metall Sac-m Sa-ac Sac-ac dac Figure 5.14 Multiple contacts to reduce contact resistance 为了减小接触电阻，通常采用设计规则允许的尽可能多 的接触 R R:接触电阻 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 15 §5.2基本结构的版图 Metal1与FET漏端和源端的连接 Metall Metall n+ Sa-p 图8整 Sp-ac (a)Cross-section (b)Layout Figure 5.15 Drain and source FET terminals using Metall ·Spa=从多晶至有源区接触的最小间距 ·sp从有源区至多晶的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 16
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 15 §5.2 基本结构的版图 为了减小接触电阻，通常采用设计规则允许的尽可能多 的接触 c eff Rc Rc ：接触电阻 N R 1 , = 采用多个接触来降低接触电阻 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 16 §5.2 基本结构的版图 •sp-ac=从多晶至有源区接触的最小间距 •sa-p=从有源区至多晶的最小间距 Metal 1与FET漏端和源端的连接
§5.2基本结构的版图 Metal1与多晶接触 Sm-pc Poly Metall Contact Poly Sm-m 不 p-substrate Cross over (a)Cross-section (b)Layout Figure 5.16 Poly Contact dp=多晶接触的尺寸 sm-m=Metal1和Metal1之间的最小间距 sm-pe-Metal1至多晶接触的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 §5.2基本结构的版图 串联的FET Sp-p (a)Cross-section (b)Layout Figure 5.17 Series-connected FETs Sp多晶至多晶的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 18
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 17 §5.2 基本结构的版图 Metal 1与多晶接触 •dpc=多晶接触的尺寸 •sm-m=Metal 1和Metal 1之间的最小间距 •sm-pc=Metal 1至多晶接触的最小间距 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 18 §5.2 基本结构的版图 •sp-p=多晶至多晶的最小间距 串联的FET
§5.2基本结构的版图 并联的nFET 同一有源区形成不同的沟宽 n+ W W 时sg-g Sp-a g-g=dac+2 Sp-ac S-a多晶至有源区的间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 19 §5.2基本结构的版图 §5.2.7通孔和多层金属 Metal2 Metal2 H Via Sv-m2 /-m Via Substrate Sm2-m2 Wm2 (a)Cross-section (b)Layout Figure 5.20 Metall-Metal2 connection using a Via mask d=一个通孔的尺寸 wm2=Metal2图形的最小宽度 sm2m2=相邻的MIetal2图形间的最小间距 s,ml=在通孔和Metal1边之间的最小间距 s,-m2=在通孔和Metal2边之间的最小间距 2018-9-5 第5章物理设计的基本要素 20
2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 19 §5.2 基本结构的版图 并联的nFET •sg-g=dac+2sp-ac 同一有源区形成不同的沟宽 •sp-a=多晶至有源区的间距 2018-9-5 第5章 物理设计的基本要素 20 §5.2 基本结构的版图 §5.2.7 通孔和多层金属 •dv=一个通孔的尺寸 •wm2=Metal 2图形的最小宽度 •sm2-m2=相邻的Metal 2图形间的最小间距 •sv-m1=在通孔和Metal 1边之间的最小间距 •sv-m2=在通孔和Metal 2边之间的最小间距