VLSI系统设计2.ppt

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1、VLSI系统设计,第2章 工艺与设计接口 设计开始之前 （2011-2012）,（2）,本章概要：,设计与工艺接口问题 工艺抽象 电学设计规则 几何设计规则 工艺检查与监控,基本问题,设计与仿真依据,工艺监控和提模手段,（3）,2.1 设计与工艺接口问题,基本问题工艺线选择 设计的困惑 设计与工艺接口,.1,电路硬件与版图设计+工艺制造=IC芯片,（4）,2.1.1 基本问题工艺线选择,一条成熟的工艺线，各项工艺参数都是一定的，不允许轻易变更，而这些参数往往就成为我们设计的制约因素。 因此，设计之初必须考虑：这条工艺线对我的设计是否合适。,.1,设计之初的重要问题：选择工艺和工艺线,怎么知道是

2、否合适呢？需要了解工艺！,（5）,.1,2.1.1 基本问题工艺线选择,首先了解器件的制造,器件结构关键：形成PN结组合与尺度效应,PN NPN,p-JFET NMOS,CMOS,SCR,注意集成器件的电流走向！,（6）,2.1.1 基本问题工艺线选择,器件结构关键：形成PN结组合与尺度效应,.1,（7）,.1,2.1.1 基本问题工艺线选择,CMOS倒相器的制造,（8）,.1,（9）,.1,（10）,2.1.2 设计的困惑,电参数： 应用萨方程 衬偏效应(系数) 上升、下降时间（负载电容） 迁移率 版图参数： 尺寸 间距 太多的不确定，工艺线能否提供这些参数？,.1,设计参数怎样确定呢?,（

3、11）,2.1.3 设计与工艺接口,如果： 工艺线提供电学设计和版图设计的规则，形成设计规则文件。 工艺线提供工艺加工质量的监测方法，形成PCM（Process Control Monitor）。 则：设计问题简单了，设计依据充分了，界限明确了。 这些就构成清晰地接口：设计与工艺接口。这个接口同时也成为了设计与工艺的共同制约，成为设计与工艺双方必须共同遵守的规范。,.1,（12）,2.2 工艺抽象,工艺对设计的制约 工艺抽象 对材料参数的抽象 对加工能力的抽象 得到以电学参数和几何参数描述的工艺数据，设计者不再看到诸如掺杂浓度、结深、氧化层厚度等工艺技术范畴的专业术语。,.2,工艺以设计者习惯

4、的方式提供设计规则，工艺参数到设计参数的转变。,（13）,2.2.1 工艺对设计的制约,最小加工分辨尺寸与最大芯片尺寸对设计的制约（特征尺寸与最大面积） 电学参数对设计的制约 标准工艺流程对特殊工艺要求的制约,.2,（14）,2.2.2 工艺抽象,掺杂浓度以薄层电阻RS描述：,.2,（15）,2.2.2 工艺抽象,氧化层（绝缘层）厚度以单位面积电容C0描述：,.2,（16）,2.2.2 工艺抽象,重要参数阈值电压描述了衬底掺杂浓度，氧化层厚度，氧化层中含有的电荷性质与数量，以及多晶硅（或金属）与衬底的功函数差。,.2,导电薄膜参数以薄层电阻描述。,阈值电压包括了栅区阈值电压和场区阈值电压。,（

5、17）,2.2.2 工艺抽象,.2,版图设计规则是一组几何尺寸，是对加工精度（如最细线条）；寄生效应（如寄生晶体管）；特性保障（如可控硅效应抑制）；加工质量控制（如成品率）等多方面的抽象。,（18）,.2,表2.1 部分版图设计规则参数意义及制定依据,（19）,.2,（20）,2.3 电学设计规则,.3,电学设计规则提供了一组用于电路设计分析的参数，这些参数来源于具体工艺线，具有很强的针对性。 如果设计所采用的电学参数来源不是将来具体制作的工艺线，则仿真分析的结果没有实际意义。 电学设计规则被分为两个主要部分：器件模型参数和寄生提取所需的电学参数。,（21）,2.3.1 电学规则的一般描述,.

6、3,表2.2 电学设计规则描述,（22）,2.3.1 电学规则的一般描述,.3,表2.2 电学设计规则描述（续）,（23）,2.3.2 器件模型参数,.3,模型参数示例：,（24）,2.3.3 模型参数的离散及仿真方法,.3,任何一个工艺线的工艺都存在一定的误差，因此模型参数也会出现离散，公司给出的模型参数通常是典型值。 参数偏差的描述方法： TT（typical model）模型 SS（Slow NMOS Slow PMOS model）模型 FF（Fast NMOS Fast PMOS model）模型 SF（Slow NMOS Fast PMOS model）模型 FS（Fast NMO

7、S Slow PMOS model）模型,（25）,.3,表2.3 五种模型描述示例,（26）,2.3.3 模型参数的离散及仿真方法,.3,设计时必须考虑工艺的离散对性能的影响,（27）,2.4 几何设计规则,.4,几何设计规则给出的是一组版图设计的最小允许尺寸，设计者不能突破这些最小尺寸的限制，也就是说，在设计版图时对这些位置的版图图形尺寸，只能是大于或等于设计规则的描述，而不能小于这些尺寸。,（28）,2.4.1 几何设计规则描述,.4,描述方法：一是以最小单位的倍数表示，几何设计规则中的所有数据都以的倍数表示，如3、5。是最小沟道长度L的一半，是具体的数值。这种描述方法称为设计规则。二是

8、用具体的数值进行描述，数值单位是微米，被称为微米设计规则。,（29）,2.4.1 几何设计规则描述,.4,表2.3 掩膜板层描述,（30）,2.4.1 几何设计规则描述,.4,表2.4 有源区设计规则,（31）,2.4.2 一个版图设计的例子,.4,（32）,2.5 工艺检查与监控,.5,工艺加工完成后，接下来的工作就是检查制作的质量，验证设计的正确性。 验证设计正确性的测试技术将在第7章介绍。 在本节中主要讨论如何进行工艺质量检查和监控，通过什么手段与技术确认产品加工失效的原因。,（33）,2.5.1 PCM（Process Control Monitor）,.5,PCM是一组测试结构，主要

9、用于检测工艺加工质量，提取相关参数。 PCM测试结构主要包括了四个方面： 工艺加工质量评估 DC测试 AC测试 少量功能器件测试结构 PCM还作为提取器件模型参数的手段被广泛使用。,（34）,2.5.1 PCM,.5,（35）,.5,互连线的参数（INTERCONNECT PARAMETERS）： 薄层电阻（Sheet Resistance ）（金属、多晶硅、有源区等） 接触电阻（Contact Resistance） 线宽偏差（Delta Line Width）（金属和多晶硅） 台阶覆盖（STEP COVERAGE）： 梳齿结构（Comb Isolation）（金属和多晶硅） 折弯结构（Se

10、rpentine Continuity） 晶体管特性（TRANSISTOR CHARACTERISTICS）： 晶体管阈值电压（Transistor Threshold Voltage） 本征导电因子，导电因子（Process Gain, Kp (beta/2)） Gamma（）系数 (body effect coefficient) 饱和电流（Saturation Current） 沟道穿通电压（Channel Punch-through Voltage） PN结击穿（Junction Breakdown） 厚栅氧（场区氧化层）晶体管（FIELD OXIDE TRANSISTORS）： 阈值

11、电压（Threshold） 倒相器（INVERTERS）： 输出高电平（Vout, high） 输出低电平（Vout, low） 倒相器阈值（Inverter Threshold (Vinv)） 倒相器阈值处的增益（Gain at Inverter Threshold） 电容（CAPACITORS）： 平板电容（Area Capacitance） 边缘电容（Fringe Capacitance） 环行振荡器（RING OSCILLATOR）： 频率（Frequency）,PCM部分测试参量,（36）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例1：接触电阻测量,金属/多晶硅接触电阻 的Kelvi

12、n测试结构,测量步骤： 1、3点上注入电流，测量2、4点间的电压 3、1点上注入电流，测量2、4点间的电压 计算：,2、4点上注入电流，测量1、3点间的电压 4、2点上注入电流，测量1、3点间的电压 计算：,接触电阻=（R1+R2）/2,（37）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例1：接触电阻测量,（38）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例2：薄层电阻测量,基于范德堡（Van der Pauw）原理 。 测量过程： 在相邻的两个臂间注入电流IF（如A-B）； 测量另两臂间电压（如C-D，得VCD）； 旋转90度，再注入电流IF（B-C）； 再测量电压（A-D，得VAD）。,薄

13、层电阻,希腊十字结构,（39）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例2：薄层电阻测量及线宽测试,（40）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例3：阈值电压测量（以及衬偏系数）,外推阈值电压测量,通常采用外推阈值电压测量方法。 测量方法：在小的固定源漏电压下，测量漏电流ID随VGS的变化。在较线性的部分做直线拟合，外推到与VGS坐标轴相交处。 在测量时，衬底与器件源极间的反偏电压分别取不同的值以反映衬底偏置效应对阈值电压的影响，至少应取|VBS|=0V、VDD/2和VDD三个点进行测量。,由VBS的三个值，根据 可计算得到,（41）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例4：本征

14、导电因子测量,外推阈值电压测量,由外推阈值电压测量曲线获得。 由萨方程 可知：外推直线斜率 可得本征导电因子。,（42）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例5：环行振荡器测量 由基数个门电路环接而成,环行振荡器的测量结果真实地反映了工艺质量，它也可以作为一个检验基于SPICE模型的模拟是否精确的工具。,（43）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例5：环行振荡器测量 由基数个门电路环接而成,（44）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例6： CD（Critical Dimension）测试,（45）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例6： CD（Critical Dimension）测试,（46）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例7：台阶覆盖,（47）,2.5.2 测试图形及参数测量,.5,示例7：台阶覆盖,（48）,本章阐述设计与工艺接口：,.5,工艺对设计的制约 工艺抽象几何设计规则 工艺抽象电学规则、器件模型 工艺监控与参数提取PCM,