芯片提取基础知识.ppt

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1、芯片提取基础知识,Verison：1.0,北京芯愿景软件技术有限公司,BEIJING CELLIX SOFTWARE CO.,LTD.,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,2,概述,第一章：芯片基础知识第二章：基本模拟单元第三章：基本数字单元,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,3,第一章,芯片基础知识,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,4,各种封装形式的芯片,市面上所见的芯片都是封装后的芯片，下面为一些常见的封装形式的芯片：,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,5,裸片,芯片去掉封装后，里面是非常小的一块硅片，芯片的功能就是通过这块硅片来实现

2、，我们称这块硅片为裸片。通常，我们说芯片，实际上就是指裸片。下面为一颗MP3芯片去封装的过程：,一颗完整的芯片周围的白点为芯片管脚,开盖,看到电路了周围的金属丝是用来连接裸片和芯片的引脚,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,6,X光照片,为了看到封装上的引脚和裸片的连接关系，除了进行开盖，还可以使用X射线进行拍照，下面是几张X-ray照片。,连里面的电路都依稀可见,大黑点是封装上的引脚小黑点是芯片上的引脚,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,7,芯片结构（1）,芯片内部的METAL1层照片,PAD（压焊点）,内部电路,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,8,

3、芯片结构（2）,从图中可以看出，PAD分布在芯片的外围，中间是电路，内部电路是分模块的。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,9,芯片的照片,可见光的照片是彩色的，SEM的照片是黑白的。注意下图的两张照片，拍摄的是同一个区域：,VS.,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,10,芯片的层,芯片实际上是立体结构，分为多层，每一层都和上下层相连。不同的芯片，层数不一样。,POLY,M3,M2,M1,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,11,第二章,基本模拟器件,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,12,数字和模拟元件,芯片上的元件类型很多，我们通常将其

4、分成两大类，数字单元和模拟器件。数字单元比较密集，规整模拟单元比较稀疏，形状各异,数字单元,模拟器件,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,13,模拟器件符号图,常见的模拟器件RESCAPPMOSNMOSDIODEBJT,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,14,常见模拟器件,1 电阻1.1POLY电阻1.2注入电阻1.3阱电阻1.4FUSE2 电容2.1MOSCAP2.2POLYCAP2.3FCAP2.4METALCAP,3 MOS管3.1三端MOS管3.2四端MOS管4 二极管5 三极管VPNP三极管,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,15,1.1 PO

5、LY电阻,利用多晶制作电阻：是一条细长的多晶条，很好分辨；两个端口PLUS，MINUS顺序可以颠倒；两个端口之间的距离为长度，多晶条宽度为宽度；在双多晶工艺中，由于POLY2电阻率远高于POLY1，一般使用POLY2制作电阻，所以提图时一般只标注RPOLY即可。在单多晶工艺中，POLY电阻和管子栅的制作也是不一样的，经常会有颜色的区分。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,16,POLY电阻识别（1）,各个特点的图例见下页。在染色前会将多晶去掉，所以，RPOLY在染色层是没有痕迹的。在有些芯片中，POLY电阻的颜色和管子栅端的颜色不一样。多晶电阻的电阻值比较精确，可以用来计算电流电

6、压值，所以，阵列型的电阻通常是多晶电阻。观察电阻两头的孔，可以用来识别RPOLY。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,17,POLY电阻识别（2）,多晶层,染色层,染色无痕,栅多晶,多晶电阻,多晶电阻阵列,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,18,*电镜下的RPOLY,中间的电阻是没有痕迹的，这是给阱电位的注入,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,19,1.2 注入电阻,对衬底或者阱进行一细长条形的高掺杂注入,P衬底,N阱,RPPLUS,RNPLUS,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,20,注入电阻识别,和多晶电阻不同，注入电阻在多晶层和染色

7、层都会留有痕迹。,多晶层,染色层,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,21,注入电阻原理,注入电阻实际上利用了PN结的反偏。注入电阻和其周围的材料的接触面实际上是一个PN结，只要该PN结反偏，电阻就能正常工作。,所以，N阱里面的注入电阻为RPPLUS，P衬底上的注入电阻为RNPLUS。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,22,1.3 阱电阻,RNWELL，在P衬底上用一条细长的N阱作电阻,P衬底,RNWELL,N阱,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,23,阱电阻识别,和多晶电阻相反，阱电阻在多晶层看不到，但在染色层有痕迹。阱电阻有时会显得有点肥胖，这是因

8、为生产的时候，阱电阻向两边扩散造成的。P阱工艺是RPWELL，N阱工艺是RNWELL,多晶层,染色层,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,24,电阻尺寸量取（1）,电阻的尺寸参数包括w和l，w为电阻体的宽度，l为接触孔之间的距离：,紧贴接触孔内侧,紧贴拐角内侧,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,25,*电阻尺寸量取（2）,多晶电阻实际上和栅极多晶硅材料不同，电阻的长度量法也不同。左图的电阻上，可以看到明显的分界右图为Layout，蓝色所示为阻挡层，正是该层导致了多晶材料的不同,紧贴分界处,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,26,1.4 FUSE,严格来说

9、，FUSE（熔丝）也是一种电阻，该电阻有两种值，0或无穷。在芯片生产的时候，所有的熔丝都是接通的，生产完后，芯片在调试的时候，对熔丝进行编程，烧断一些，从而改变芯片的内部电路。,符号图：,PLUS,MINUS,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,27,POLYFUSE,使用多晶作为熔丝，两头粗，中间狭窄，呈沙漏状，如果需要熔断，在熔丝上加一个很高的电流，中间部分由于过热而气化，从而断开。如果不熔断，熔丝相当于一段导线。,熔断,熔断,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,28,METALFUSE,使用金属作为熔丝，在芯片测试器件，如果需要熔断，使用激光将其切断。这种熔丝通常

10、不明显，因为其本身就是金属线，通常可以通过烧焦的痕迹来找到。,熔丝,熔断,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,29,*熔丝窗口,因为熔丝熔断时，会气化产生大量气体，所以熔丝上必须开口，让气体逸出，POLYFUSE和METALFUSE都需要开窗。窗口通常是不可见的，因为在拍上层金属时，钝化层就被去掉了，窗口自然就消失了。,METALFUSE窗口,POLYFUSE窗口,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,30,2 电容,符号图：,PLUS,MINUS,常见电容种类：MOSCAPPOLYCAPDPMOSCAPFCAPMETALCAP,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-20

11、10,31,电容的形成机制,构成一个电容的条件：两块电极板，中间填充绝缘介质在CMOS工艺中，一切可以导电的材料都可以作为电极，SiO2作介质决定电容大小的一个重要参数为两块极板的重叠面积；需要测量的参数为重叠面积的长和宽。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,32,2.1 POLYCAP,POLYCAP：使用POLY1和POLY2作为两极，PLUS和MINUS可以互反；虽然PLUS和MINUS可以互反，但提取时应该保证全芯片的一致性。示意图：,POLY1,POLY2,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,33,电镜下的POLYCAP,光从多晶无法识别，但是可以根据染色来

12、分辨，染色层没有任何痕迹。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,34,2.2 MOSCAP,由于工艺原因，用MOS管做电容非常常见；把MOS管的源，漏，衬底连在一起构成一极，栅作为一极，可构成一个MOSCAP。,示意图：,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,35,MOSCAP的识别,有一种MOSCAP就是一个管子，非常好辨认，提取时可以框成管子，也可以框成电容，但框成电容时要注意极性不能颠倒。N管MOSCAP，PLUS在栅，MINUS在源漏。P管MOSCAP，MINUS在栅，PLUS在源漏。还有一种MOSCAP，不是一个管子，它的所有的DIFF是连在一起的，这种MOSC

13、AP实质上是管子的变形。,多晶层,染色层,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,36,增大MOSCAP的电容,MOSCAP是所有电容中单位容值最大的一种，但是精度很差，很多芯片中，使用MOSCAP后还希望能增加MOSCAP的电容，这时可以考虑采用电容折叠技术。双多晶工艺正好可以做出这种电容,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,37,双层POLY的MOSCAP,在双多晶芯片中，可以使用MOSCAP和POLYCAP的结合来增大单位面积的电容值，通常称为DPMOSCAP。最下极板（DIFF）和最上极板（POLY2）是通过金属（M1）连在一起的通过染色的痕迹可以找出DIFF，从极

14、板的重叠方式可以区分两层POLY,POLY2,POLY1,DIFF,多晶层,染色层,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,38,电镜下的DPMOSCAP,主要通过金属的连接来判断MOSCAP的两极：,多晶层,M1层,连在一起,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,39,*MOSCAP（1）,由上图可见，MOSCAP实际上是POLY作为一极，沟道，DIFF，衬底作为另一极，类似，NMOS也可以同样构成电容。,P+,P+,N+,G,D,S,B,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,40,*MOSCAP（2）,由上页可知，要能形成沟道，MOS管必须一直导通；MOSCAP

15、可以制作很大的电容，但线性度很差，电容随|VGS|的变大而大。MOS管沟道是有电阻的，所以为了减小大MOSCAP的沟道电阻，将一个大的MOS管用很多小的并联管代替：,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,41,金属电容,随着工艺间距越来越小，金属间的间距也越来越小，原来不被看好的金属电容渐渐的被重视起来，很多芯片都使用了金属电容。金属电容分为两种。垂直板金属电容，常称为FCAP（插指电容）水平板金属电容，常称为METALCAP,FCAP,METALCAP,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,42,2.3 FCAP,下图为两根金属走线，可以看到金属的高度实际比宽度要大，如果

16、两根金属离得足够近的话，这个电容的容值是相当可观的。,所以，只有在0.35极其以下的工艺中，才能看到这种电容，0.18的芯片中，这种电容是比较常见的。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,43,FCAP的极板间距,下图示出了随着工艺的发展，金属间距的变化：,0.5u,0.35u,0.18u,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,44,2.4 METALCAP结构,METALCAP是利用上层金属，比如M3的上面再增加一层材料，插入一块板，形成电容，这层材料既不是M3，也不是M4。这层材料和M4打孔连在一起，所以电容的两极分别由M3，M4引出：,上极板,下极板,北京芯愿景软件

17、技术有限公司 2002-2010,45,METALCAP照片,注意图中白点即为孔：,M3,插入的电容板,M3照片,M4照片,两极,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,46,电镜下的METALCAP,从下图可以看出，M4只是连接该电容的导线，并不是电容的一部分。图中白点即为孔：,插入的电容板,M3照片,M4照片,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,47,METALCAP的特点,METALCAP有两大好处：下方还可以做器件，充分利用芯片面积离地比较远，寄生电容小，精度高因为METALCAP并不是放在底座上，所以在框模拟器件时，如果有METALCAP，一定要在上层多次检查，防

18、止遗漏。METALCAP插入材料的电阻值较大，上面的接触孔很多，但是比较稀疏，很均匀。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,48,3 MOS管,PMOS管结构图,发亮的为NWELL,NMOS管,PMOS管,下图为反向器的芯片图像，左边为POLY层图像，右边为染色层图像,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,49,3.1 三端MOS管,PMOS符号图：,在模拟的世界里，MOS管不能等效为一个开关看待，它的版图，作用较数字应用里都有很大的不同；提取三端MOS管时，需要明确指出它的S，D，G端口和衬底电位，尤其是源端和漏端不能点反，这点和数字单元里面的MOS管不同；MOS管的参

19、数为w，l，m（倍数）。,NMOS符号图：,G,S,D,G,D,S,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,50,三端MOS管的衬底电位,在模拟应用里面，MOS管的衬底电位至关重要；常用的几种赋值方式：bnSbnVDD！（对于P管）bnGND！（对于N管）实际项目中以具体的信号来对bn赋值，如果衬底属性不能用某个信号表示，则需要提成四端MOS管。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,51,衬底电位的判断,在普通的模拟电路中，P管的衬底电位主要就是两种，VDD或者S，只有在高压电路中，比如EEPROM周边电路中，才会大量出现衬底为其他电位的情况。只有一个衬底信号，那么所有N管

20、衬底相同，如果衬底有多个信号，取最近的信号作为管子衬底。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,52,3.2 四端MOS管,PMOS4符号图：,四端MOS管比三端MOS管多一个端口，B端口，由衬底引出；bn属性不用配置，其余属性和三端MOS管相同。,NMOS4符号图：,G,S,D,B,G,S,D,B,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,53,四端MOS管框取,提N/PMOS4时，由于Analyzer没有提供直接框取MOS4的功能，所以先框成三端MOS管，然后手动点一个B端口，同时去掉bn属性，将类型名称改为N/PMOS4。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,

21、54,MOS管框取步骤,单管是模拟项目中出现次数最多的器件，而且框取步骤较多，容易错，下面提供一种参考流程。首先要绘制电源地线，配置模拟器件，注意不要多配置。第一步，识别P还是N管，同时识别衬底电位第二步，点击模板框取，填好bn参数和m参数第三部，识别源漏，然后将三个端口调整到合适位置第四部，模拟器件全部框完后，统一量参数在框同一个管子时，一次性做完前3个步骤。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,55,判断MOS管源漏,模拟器件框取最困难，最具技巧性的就是判断管子的源漏了。对P管来说，源端电位高于漏端电位，对N管来说，源端电位低于漏端电位。根据这个原则，可以归纳出几条：P管连电源

22、的一端为S，N管连电源的一端为DN管连地的一端为S，P管连地的一端为DP管连衬底的一端通常为S如果某管子源漏其中一端和栅短接，这头通常是漏，但做二极管的MOS管例外，不过这种管子通常出现在PAD区，漏端很宽（请参看P46）P管和N管通常是DD相连，P管和P管是DS相连，N管和N管是DS相连,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,56,*MOS管做保护电路,把MOS管的栅和源端连接起来，可以形成一个箝位电路，用作过电压保护。,如果INPUT电压小于VDD，管I14的VSG=0，管子不导通，如果INPUT电源大于VDD，I14的SD将会颠倒，图中标注的D端将变成S端，VSG 0，管子导通

23、，工作机制和I20相同。对于I13，情形类似，请自己分析。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,57,4 CMOS工艺中的二极管,二极管符号图：,P衬底,MINUS,PLUS,N+,N+,P+,N阱,P+,PLUS,MINUS,diff,diff,plus,minus,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,58,二极管的识别,二极管的端口PLUS代表P区域，MINUS代表N区域，所以，端口不能颠倒。二极管可以从染色颜色上来区分，通常深颜色为P。也可以从结构来区分，二极管通常是用来做保护电路，都是反偏的，通过这点可以识别端口。,minus,plus,plus,minus,北

24、京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,59,5 CMOS工艺中的三极管,三极管符号图：,NPN型：,PNP型：,B,C,E,B,E,C,对比NMOS管和PMOS：,G,D,S,G,S,D,可以认为，MOS管的G，S，D端对应三极管的B，E，C端,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,60,CMOS工艺中的三极管,NPN型：,PNP型：,B,C,E,B,E,C,三极管为两个PN结，E和B，C和B,N区域,N区域,P区域,N区域,P区域,P区域,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,61,5.1 VPNP三极管,VPNP（纵向）型三极管的典型结构，可以看到B极环绕了E极

25、。而C极又环绕了E和B。,P衬底,N阱,N阱内P注入,E,B,C,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,62,VPNP三极管,P衬底,N阱,P+,E,P+,C,N+,B,N+,VPNP（纵向）型三极管的纵剖图：,P+,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,63,CMOS工艺中的三极管,很明显的三个极，形成圆环套圆环结构。从里到外依次为E，B，C,B,E,C,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,64,区分三极管和二极管,二极管和三极管是比较让人困惑的两类器件，因为两类器件区分度并不大，有些器件，既能框成二极管，又能框成三极管。实际提取时，只能根据器件的作用来区分。

26、二极管通常用来做ESD保护电路三极管通常用来做内部基准和启动电路有了上面的认识后，可以总结出这样的规律：三圆两扁，三极管最里面的一极是正方形，二极管则是扁的三极管的环是正方形，二极管则是跑道型三极管用在芯片内部电路，二极管用在芯片PAD电路三极管通常排成阵列形式，二极管通常排成对偶形式,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,65,第三章,基本数字单元,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,66,常见数字器件,1 INV2 NAND23 NOR4 NOR25 TRIGATE6 MX217 DFC,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,67,数字单元符号图,常见的数字

27、单元及符号图INVNAND2NOR2AND2,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,68,反相器的实现（1）,用PMOS和NMOS可以实现所有的数字逻辑，先考虑最简单的逻辑非,A端输入0(GND)，对于P管，此时有VSG=VDD，P管导通；同时N管VGS=0，N管截止，ZN=VDD，输出1。A端输入1(VDD)，对于N管，此时有VGS=VDD，N管导通，同时P管VSG=0，P管截止，ZN=GND，输出0。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,69,反相器的实现（2）,理想反相器的输入输出波形：,A,ZN,ZN=A,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,70,IN

28、V的版图实现,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,71,NAND2的实现,2输入与非门的表达式：ZN=A1&A2当A1或A2有一个为0时，ZN马上输出1，只有A1和A2都为1时，ZN才能输出0；靠近输出端的为A1，符号图上，靠上的为A1。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,72,NAND2的版图实现,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,73,NOR的实现,2输入或非门的表达式：ZN=A1|A2当A1或A2有一个为1时，ZN马上输出0，只有A1和A2都为0时，ZN才能输出1；靠近输出端的为A1，符号图上，靠上的为A1。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-

29、2010,74,NOR2的版图实现,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,75,三态门的实现,三态门的表达式：Z=OE?A:bz当OE的值为1时，Z取:前的值，否则取:后的值，bz表示高阻，如果在Z输出高阻时，将Z接到一个反相器的输入端，其效果相当于反相器输入悬空；OEN表示低有效，不带N表示高有效，OEN和OE总是互反。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,76,TRIGATE的版图实现,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,77,三态型二选一电路MX21,TRIGATE型,TRINOT型,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,78,二选一电路的符号图,MX21符号图,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,79,触发器 DFC,带清零端的的触发器，它和DFN的基本结构一样，当CDN=1时，就等效为一个DFN。清零时，CDN=0，NAND2输出为1,Q=0。,北京芯愿景软件技术有限公司 2002-2010,80,DFC电路的符号图,DFC符号图,