目 录
第1章 半导体器件理论基础 1
1.1 半导体的电学特性 2
1.1.1 晶格结构与能带 2
1.1.2 电子与空穴 4
1.1.3 半导体中的杂质 6
1.1.4 半导体的导电性 9
1.2 PN结的结构与特性 10
1.2.1 PN结的结构 10
1.2.2 PN结的电压电流特性 11
1.2.3 PN结的电容 14
1.3 MOS场效应晶体管 14
1.3.1 MOS场效应晶体管的结构与
工作原理 15
1.3.2 MOS管的电流电压特性 19
1.3.3 MOS管的电容 20
1.4 双极型晶体管 22
1.4.1 双极型晶体管的结构与
工作原理 23
1.4.2 双极型晶体管的电流传输 24
1.4.3 双极型晶体管的基本
性能参数 26
本章小结 27
第2章 集成电路制造工艺 28
2.1 硅片制备 29
2.1.1 单晶硅制备 30
2.1.2 硅片的分类 32
2.2 外延工艺 32
2.2.1 概述 32
2.2.2 外延工艺的分类与用途 33
2.3 氧化工艺 34
2.3.1 二氧化硅薄膜概述 35
2.3.2 硅的热氧化 37
2.4 掺杂工艺 39
2.4.1 扩散 39
2.4.2 离子注入 41
2.5 薄膜制备工艺 45
2.5.1 化学气相淀积 45
2.5.2 物理气相淀积 46
2.6 光刻技术 47
2.6.1 光刻工艺流程 47
2.6.2 光刻胶 50
2.7 刻蚀工艺 50
2.8 CMOS集成电路基本工艺流程 51
本章小结 53
第3章 操作系统与Cadence软件 55
3.1 UNIX操作系统 56
3.1.1 UNIX操作系统简介 56
3.1.2 UNIX常用操作 56
3.1.3 UNIX文件系统 57
3.1.4 UNIX文件系统常用工具 58
3.2 Linux操作系统 60
3.3 虚拟机 73
3.4 Cadence软件 81
3.4.1 Cadence软件概述 81
3.4.2 电路图的建立 82
3.4.3 版图设计规则 92
3.4.4 版图编辑大师 94
3.4.5 版图的建立与编辑 105
3.4.6 版图验证 114
3.4.7 Dracula DRC 116
3.4.8 Dracula LVS 122
本章小结 128
第4章 电阻 130
4.1 概述 131
4.2 电阻率和方块电阻 131
4.3 电阻的分类与版图 132
4.3.1 多晶硅电阻 133
4.3.2 阱电阻 136
4.3.3 有源区电阻 136
4.3.4 金属电阻 137
4.4 电阻设计依据 138
4.4.1 电阻变化 138
4.4.2 实际电阻分析 139
4.4.3 电阻设计依据 140
4.5 电阻匹配规则 141
本章小结 144
第5章 电容和电感 145
5.1 电容 146
5.1.1 概述 146
5.1.2 电容的分类 148
5.1.3 电容的寄生效应 152
5.1.4 电容匹配规则 153
5.2 电感 155
5.2.1 概述 156
5.2.2 电感的分类 157
5.2.3 电感的寄生效应 158
5.2.4 电感设计准则 158
本章小结 159
第6章 二极管与外围器件 161
6.1 二极管 162
6.1.1 二极管的分类 162
6.1.2 ESD保护 165
6.1.3 二极管匹配规则 168
6.2 外围器件 169
6.2.1 压焊块(PAD) 170
6.2.2 连线 173
本章小结 176
第7章 双极型晶体管 178
7.1 概述 179
7.2 发射极电流集边效应 179
7.3 双极型晶体管的分类与版图 180
7.3.1 标准双极型工艺NPN管 180
7.3.2 标准双极型工艺衬底
PNP管 183
7.3.3 标准双极型工艺横向
PNP管 184
7.3.4 BiCMOS工艺晶体管 185
7.4 双极型晶体管版图匹配规则 187
7.4.1 双极型晶体管版图基本
设计规则 187
7.4.2 纵向晶体管设计规则 187
7.4.3 横向晶体管设计规则 189
本章小结 189
第8章 MOS场效应晶体管 191
8.1 概述 192
8.2 MOS管的版图 193
8.3 MOS晶体管版图设计技巧 199
8.3.1 源漏共用 199
8.3.2 特殊尺寸MOS管 204
8.3.3 衬底连接与阱连接 208
8.3.4 天线效应 210
8.4 棍棒图 211
8.5 MOS管的匹配规则 213
本章小结 218
第9章 集成电路版图设计实例 220
9.1 常用版图设计技巧 221
9.2 数字版图设计实例 222
9.2.1 反相器 223
9.2.2 与非门和或非门 225
9.2.3 传输门 227
9.2.4 三态反相器 228
9.2.5 多路选择器 228
9.2.6 D触发器 229
9.2.7 二分频器 230
9.2.8 一位全加器 231
9.3 版图设计前注意事项 232
9.4 版图设计中注意事项 234
9.5 静电保护电路版图设计实例 234
9.5.1 输入输出PAD静电保护 234
9.5.2 限流电阻的画法 237
9.5.3 电源静电保护 237
9.5.4 二级保护 238
9.6 运算放大器版图设计实例 240
9.6.1 运放组件布局 240
9.6.2 输入差分对版图设计 241
9.6.3 偏置电流源版图设计 244
9.6.4 有源负载管版图设计 245
9.6.5 运算放大器总体版图 246
9.7 带隙基准源版图设计实例 247
9.7.1 寄生PNP双极型晶体管
版图设计 247
9.7.2 对称电阻版图设计 249
9.7.3 带隙基准源总体版图 251
9.8 芯片总体设计 252
9.8.1 噪声考虑 252
9.8.2 布局 253
本章小结 254
参考文献 255
前 言
集成电路版图是电路设计与集成电路工艺之间必不可少的环节。通过集成电路版图设计,可以将立体的电路结构转变为二维的平面图形,再经过工艺加工使之转换为基于硅材料的立体结构。由此可见,集成电路的版图设计起到了上承电路、下接集成电路芯片的重要作用。
集成电路的版图设计是一个崭新的领域,近几年已经开始成为一种职业,即版图设计师。这虽然是一个新兴的职业,但很多人包括大学毕业生和一些希望改行的工程师都希望进入到这个新的领域里工作。随着芯片尺寸的不断减小,集成电路的版图设计也越来越重要,一个有经验的版图设计师可以为公司节省大量成本。相信随着集成电路技术的不断发展及芯片特征尺寸的不断减小,版图设计工作将会越来越受到人们的重视和青睐。
长期以来,专门介绍集成电路版图设计知识的文献书籍非常少,很多都是在集成电路原理或超大规模集成电路设计书籍中的一些章节中出现,而这些章节往往都是在讲授复杂的工艺原理或电路设计,而且鉴于篇幅限制,对版图设计无法提供全面的介绍,读者在学习的时候总是感到晦涩难懂,实用性不强,动手操作性不强。目前,国内很多高校都设立了微电子技术专业,并把版图设计作为微电子技术专业的一门重要的专业课,因此急需一本合适的以介绍版图设计为主要内容的教材。
本书从半导体器件理论基础入手,在讲授集成电路制造工艺的基础上,循序渐进地介绍了集成电路版图设计的基本原理与方法。本书的一个突出特点是:全书在讲解版图设计的过程中,尽量减少复杂的理论讲解,并将理论讲解和工艺实践经验相结合,使读者能够明白版图设计是科学和经验两者的有机结合。本书在一些重要章节的最后小节中都增加了设计规则或相关设计经验的介绍,无论是对新手还是对有经验的设计者来说都非常有帮助。而且书中的实例都是作者多年实践的结果,极具指导性。
本书主要讲授集成电路版图设计的基本原理与方法,分门别类地介绍集成电路中常用器件的版图设计。全书共分为9章,第1章讲解半导体器件的理论基础;第2章讲解集成电路制造工艺;第3章讲解操作系统与Cadence软件;第4章讲解电阻的版图设计;第5章讲解电容和电感的版图设计;第6章讲解二极管和外围器件的版图设计;第7章讲解双极型晶体管的版图设计;第8章讲解MOS场效应晶体管的版图设计;第9章介绍集成电路版图设计实例。其中,第1章、第2章、第6章和第8章由哈尔滨理工大学的陆学斌编写;第5章、第7章和第9章由哈尔滨理工大学的董长春编写;第3章和第4章由哈尔滨理工大学的韩天编写。
本书作为教材使用,建议各章节的学时安排如下:第1章和第2章主要讲解为了学习版图设计所需要的半导体器件和集成电路工艺的一些基础知识,如果专业课程体系中已经包含相关课程,则这两章应以介绍复习为主,建议学时为4学时;第3章主要讲解操作系统和Cadence软件,这是上机操作的必备知识,最好在实验中讲解,建议学时为8实验学时,分别为操作系统与软件使用介绍2实验学时,CMOS反相器的电路图和版图设计2实验学时,CMOS反相器的DRC验证2实验学时,CMOS反相器的LVS验证2实验学时;第4章主要讲解电阻的版图设计,建议学时为4学时;第5章主要讲解电容和电感的版图设计,建议学时为4学时;第6章主要讲解二极管和外围器件的版图设计,建议学时为4学时;第7章主要讲解双极型晶体管的版图设计,建议学时为4学时;第8章主要讲解MOS晶体管的版图设计,MOS晶体管是集成电路中最重要的器件,建议学时为6学时;第9章主要介绍集成电路版图设计实例,建议学时为6学时。总计,理论学时32学时,实验学时8学时。
本书在编写过程中得到了哈尔滨理工大学崔林海副教授、任明远讲师和哈尔滨铁道职业技术学院孙伟的热心帮助,在此一并表示感谢!
由于作者水平有限,书中难免存在错误和不足之处,敬请读者批评指正。
本书适合作为高等院校微电子技术专业和集成电路设计专业版图设计课程的教材,也可作为集成电路版图设计者的参考书。
陆学斌,哈尔滨理工大学软件学院副教授,长期教授集成电路设计、集成系统系、微电子系统设计等课程,主编了《集成电路版图设计》教材并在市场上成功推广。
集成电路版图是设计与集成电路工艺之间必不可少的环节。本书从半导体器件的理论基础入手,在讲授集成电路制造工艺的基础上,循序渐进地介绍了集成电路版图设计的基本原理与方法。
以介绍集成电路版图设计为主的本书,主要内容包括半导体器件和集成电路工艺的基本知识,集成电路常用器件的版图设计方法,流行版图设计软件的使用方法,版图验证的流程以及集成电路版图实例等。
本书适合作为高等院校微电子技术专业和集成电路设计专业版图设计课程的教材,也可作为集成电路版图设计者的参考书。