集成电路设计基础ppt课件要点.ppt
书名：集成电路设计基础 ISBN： 978-7-111-42768-1作者：董海青出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,集成电路设计基础,董海青,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,工艺，即制造集成电路元器件的过程！ 元器件分很多种，对应的制造工艺也不尽相同，我们可以根据元器件进行分类。 根据器件可以将工艺分成双极型集成电路制造工艺、MOS型集成电路工艺和Bi-CMOS集成电路制造工艺；根据电路功能可以分为模拟集成电路制造工艺个数字集成电路制造工艺。 目前比较常用的是数字集成电路，但模拟集成电路也是必不可少的！而MOS集成电路又由于其自身的一系列有点而广泛使用。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,MOS型集成电路有可以根据MOS晶体管的不同而分为NMOS集成电路、PMOS集成电路和CMOS集成电路。 由于模拟集成电路的必不可少，现在比较流行的是Bi-CMOS工艺，即在一个芯片上同时制作双极型器件和MOS型器件。它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,本章我们以目前比较常用的CMOS集成电路工艺为例，简单介绍工艺流程以及对应的元器件。,1、CMOS工艺2、无源元件3、有源器件4、器件模型5、MOS器件特性,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,1）版图2）流程3）其它工艺,CMOS，即互补型MOS，电路中同时包含对应的NMOS晶体管和PMOS晶体管，而且是成对出现，其中PMOS作为负载管，NMOS作为驱动管。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,1）版图,同时包含对应的NMOS晶体管和PMOS晶体管，那么应该用什么衬底和阱？ 根据阱的导电类型可以分为N阱工艺、P阱工艺和双阱工艺。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,1）版图,此处为N阱CMOS工艺的反相器截面图。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,1）版图,把刚才的版图拆分可以得到六层不同的区域。每一层要单独设计制作。 如何制作每一层？,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,2）流程,基本的工艺包括清洗、氧化、光刻、掺杂、淀积、溅射、外延等。,集成电路设计基础 高职高专 ppt 课件,三、工艺器件,1、CMOS工艺,2）流程,Flash动画演示工艺流程！,三、工艺器件,1、CMOS工艺,3）其它工艺,CMOS工艺本身有一个致命的缺陷：闩锁效应！如何去掉？ SOS-CMOS工艺； SOI-CMOS工艺。,三、工艺器件,2、无源元件,无源元件是电路中不可或缺的元件。主要包括互连线、电阻、电容和电感。,三、工艺器件,2、无源元件,1）互连线,互连线是各种集成电路的基本元件，互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务。专业术语“布局布线”中的布线即互连线的设计。 一般情况下，互连线是金属薄层形成的条带状导体，有时也可以是导体层形成的条带状导体。,三、工艺器件,2、无源元件,1）互连线,在设计互连线的过程中，要注意以下几点：尽量短；最小宽度；最大电流量；多层互连线；趋肤效应和寄生参数；利用寄生效应。,三、工艺器件,2、无源元件,2）电阻,电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集成电路还是数字集成电路。 导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻率表达导电性能。 在集成电路中，比较常用的电阻主要有：导体层片式电阻、高精度电阻、互连线电阻、有源电阻。,三、工艺器件,2、无源元件,2）电阻,电阻是最常用的一种元件，不管是模拟集成电路还是数字集成电路。 导体都有电阻，只不过阻值不同，用电阻率表达导电性能。 在集成电路中，比较常用的电阻主要有：导体层片式电阻、高精度电阻、互连线电阻、有源电阻。,三、工艺器件,2、无源元件,2）电阻,电阻的阻值如何计算？ 方块电阻、薄膜电阻、薄层电阻等。 R=NR。 如果方块电阻为1欧姆/方块，做一个10K的电阻，怎么做？ 采用弯折电阻，否则版图将会很长很长，相当地长。,三、工艺器件,2、无源元件,2）电阻,弯折电阻，如图所示。,三、工艺器件,2、无源元件,2）电阻,弯折电阻，电阻阻值还是按照原来的方式计算吗？ 这样的电阻在计算其阻值的过程中要充分考虑拐角处的电阻和两端的电阻，一般情况下要进行电阻值的修正。对于不同的工艺，其修正因子一般不同，但工艺厂家一般都会把电阻的修正计算公式提供给设计者。,三、工艺器件,2、无源元件,3）电容,集成电路中的电容一般都是平板电容，但电容一般用在高速集成电路中，普通集成电路考虑到成本问题，一般不会集成电容在芯片中。 实现电容的方法有以下几种：利用二极管和三极管的结电容；利用插指金属结构；利用金属-绝缘体-金属结构；利用多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；,三、工艺器件,2、无源元件,3）电感,开始很长的一段时间内，人们一直认为电感不能集成在芯片上。现在芯片的工作频率越来越大，工作速度越来越高，芯片上金属结构的电感效应越来越明显。芯片电感的实现成为可能。 比较常见的实现电感的方式是以集总电感和传输线元件的形式来实现。,三、工艺器件,3、有源器件,如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。 比较常用的有源器件包括：二极管、三极管、MOS管等。,三、工艺器件,3、有源器件,1）二极管,二极管是集成电路中比较常用的一种器件，特别是在双极型集成电路中。,三、工艺器件,3、有源器件,2）三极管,三极管即双极型晶体管，有两个PN结连接而成，有P-N-P结构和N-P-N结构两种，分别对应着NPN和PNP晶体管。,三、工艺器件,3、有源器件,3）MOS晶体管,MOS管是将金属、氧化物和半导体叠加在一起形成的器件。根据导电沟道的不同又可以分为N沟和P沟MOS晶体管。,三、工艺器件,3、有源器件,3）MOS晶体管,MOS管核心是沟道（Channel）。沟道是如何形成的？,三、工艺器件,3、有源器件,3）MOS晶体管,MOS管的工作过程，根据沟道的形成过程，可以知道MOS管工作分为截止区、线性区和饱和区。,三、工艺器件,3、有源器件,3）MOS晶体管,三、工艺器件,4、器件模型,在集成电路设计的过程中，为了在流片以前了解电路的基本工作特性，需要预先分析电路的工作特性。如何分析？ 分析的过程实际是计算的过程，计算电路中的电压和电流值，怎么计算？ 需要知道器件的特性，根据半导体物理的知识可知，需要大量的数学公式运算。 元器件的数学公式和对应的参变量即为模型。,三、工艺器件,4、器件模型,1）二极管模型,二极管是相对简单一点的器件。,三、工艺器件,4、器件模型,1）二极管模型,二极管是相对简单一点的器件。,下面给出一个普通二极管的工艺模型数据：.MODEL DIODE D(IS=5.3253E-12 N=3.4748 + RS=1.0000E-3 CJO=1.0000E-12 M=.333 + VJ=.75 ISR=100.00E-12 BV=120 + IBV=1.00E-6 TT=5.0000E-9),三、工艺器件,4、器件模型,2）三极管模型,三极管是比较复杂一点的器件。,三、工艺器件,4、器件模型,2）三极管模型,三极管是比较复杂一点的器件。,.MODEL NPN NPN+ IS=1.501E-12 BF=772.1 NF=1 VAF=100+ IKF=.1298 ISE=163.8E-12 NE=1.998 BR=499.5+ NR=1 VAR=100 IKR=19.98 ISC=1.536E-12+ NC=2.997 RB=1.101 NK=.5077+ RE=0 RC=.1498 EG=1.110+ CJE=316.6E-12 VJE=.436 MJE=.2878 TF=16.416E-9+ XTF=1 VTF=10 ITF=10.00E-3 CJC=189.3E-12+ VJC=.6244 MJC=.1866 XCJC=.9 FC=.5+ TR=13.837E-9,三、工艺器件,4、器件模型,3）MOS管模型,MOS管是比较复杂一点的器件。,三、工艺器件,4、器件模型,3）MOS极管模型,MOS极管是比较复杂一点的器件。,.model nmos nmos+ Level=2 Ld=0.0u Tox=225.00E-10+ Nsub=1.066E+16 Vto=0.622490 Kp=6.326640E-05+ Gamma=.639243 Phi=0.31 Uo=1215.74+ Uexp=4.612355E-2 Ucrit=174667 Delta=0.0+ Vmax=177269 Xj=.9u Lambda=0.0+ Nfs=4.55168E+12 Neff=4.68830 Nss=3.00E+10+ Tpg=1.000 Rsh=60 Cgso=2.89E-10+ Cgdo=2.89E-10 Cj=3.27E-04 Mj=1.067+ Cjsw=1.74E-10 Mjsw=0.195,三、工艺器件,5、MOS器件特性,MOS晶体管是目前应用非常普遍的一种器件，不管是数字集成电路还是模拟集成电路。 下面我们简单讨论一下MOS晶体管的特性。,1）I-V特性2）C-V特性3）特性参数,三、工艺器件,5、MOS器件特性,1）I-V特性,MOS晶体管可以看成一个平板电容，因此可以用电容的特性来分析MOS晶体管的特性。,三、工艺器件,5、MOS器件特性,2）C-V特性,MOS晶体管可以看成一个平板电容，但工作电压改变时，电容的绝缘介质在改变。 因此其电容特性也随着工作电压的改变而改变。,三、工艺器件,5、MOS器件特性,3）特性参数,MOS晶体管的常用特性参数包括宽长比、阈值电压、导通电阻、跨导、最高工作频率、沟道长度调制效应和衬底偏置效应。,三、工艺器件,5、MOS器件特性,3）特性参数,宽长比 宽长比即W/L，MOS晶体管最重要的一个参数。前面所有的电流计算几乎都和它有关，同时也是进行集成电路MOS晶体管设计的一个最重要参数。,三、工艺器件,5、MOS器件特性,3）特性参数,阈值电压 影响MOS管阈值电压的因素主要有： 绝缘介质SiO2中的电荷； 衬底的掺杂浓度； 栅氧化层的厚度； 栅材料与硅的功函数差。,
