編輯推薦
《21世紀全國本科院校電氣信息類創新型應用人纔培養規劃教材:集成電路版圖設計》主要特點:原理結閤基本設計方法,帶您輕鬆步入集成電路的世界;理論結閤工藝實踐經驗,使您完美理解版圖設計的真諦;知識要點和提醒星羅棋布;設計規則及經驗錦上添花。
內容簡介
《21世紀全國本科院校電氣信息類創新型應用人纔培養規劃教材:集成電路版圖設計》主要介紹集成電路版圖設計,主要內容包括半導體器件和集成電路工藝的基本知識,集成電路常用器件的版圖設計方法,流行版圖設計軟件的使用方法,版圖驗證的流程,以及集成電路版圖實例等。
《21世紀全國本科院校電氣信息類創新型應用人纔培養規劃教材:集成電路版圖設計》適閤作為高等學校微電子技術專業和集成電路設計專業版圖設計課程的教材,也可作為集成電路版圖設計者的參考書。
內頁插圖
目錄
第1章 半導體器件理論基礎
1.1 半導體的電學特性
1.1.1 晶格結構與能帶
1.1.2 電子與空穴
1.1.3 半導體中的雜質
1.1.4 半導體的導電性
1.2 PN結的結構與特性
1.2.1 PN結的結構
1.2.2 PN結的電壓電流特性
1.2.3 PN結的電容
1.3 MOS場效應晶體管
1.3.1 MOS場效應晶體管的結構與工作原理
1.3.2 MOS管的電流電壓特性
1.3.3 MOS管的電容
1.4 雙極型晶體管
1.4.1 雙極型晶體管的結構與工作原理
1.4.2 雙極型晶體管的電流傳輸
1.4.3 雙極型晶體管的基本性能參數
本章小結
第2章 集成電路製造工藝
2.1 矽片製備
2.1.1 單晶矽製備
2.1.2 矽片的分類
2.2 外延工藝
2.2.1 概述
2.2.2 外延工藝的分類與用途
2.3 氧化工藝
2.3.1 二氧化矽薄膜概述
2.3.2 矽的熱氧化
2.4 摻雜工藝
2.4.1 擴散
2.4.2 離子注入
2.5 薄膜製備工藝
2.5.1 化學氣相澱積
2.5.2 物理氣相澱積
2.6 光刻技術
2.6.1 光刻工藝流程
2.6.2 光刻膠
2.7 刻蝕工藝
2.8 CMOS集成電路基本工藝流程
本章小結
第3章 操作係統與Cadence軟件
3.1 UNIX操作係統
3.1.1 UNIX操作係統簡介
3.1.2 UNIX常用操作
3.1.3 UNIX文件係統
3.1.4 UNIX文件係統常用工具
3.2 Linux操作係統
3.3 虛擬機
3.4 Cadence軟件
3.4.1 Cadence軟件概述
3.4.2 電路圖的建立
3.4.3 版圖設計規則
3.4.4 版圖編輯大師
3.4.5 版圖的建立與編輯
3.4.6 版圖驗證
3.4.7 DraCula DRC
3.4.8 DraCula LVS
本章小結
第4章 電阻
4.1 概述
4.2 電阻率和方塊電阻
4.3 電阻的分類與版圖
4.3.1 多晶矽電阻
4.3.2 阱電阻
4.3.3 有源區電阻
4.3.4 金屬電阻
4.4 電阻設計依據
4.4.1 電阻變化
4.4.2 實際電阻分析
4.4.3 電阻設計依據
4.5 電阻匹配規則
本章小結
第5章 電容和電感
5.1 電容
5.1.1 概述
5.1.2 電容的分類
5.1.3 電容的寄生效應
5.1.4 電容匹配規則
5.2 電感
5.2.1 概述
5.2.2 電感的分類
5.2.3 電感的寄生效應
5.2.4 電感設計準則
本章小結
第6章 二極管與外圍器件
6.1 二極管
6.1.1 二極管的分類
6.1.2 ESD保護
6.1.3 二極管匹配規則
6.2 外圍器件
6.2.1 壓焊塊(PAD)
6.2.2 連綫
本章小結
第7章 雙極型晶體管
7.1 概述
7.2 發射極電流集邊效應
7.3 雙極型晶體管的分類與版圖
7.3.1 標準雙極型工藝NPN管
7.3.2 標準雙極型工藝襯底PNP管
7.3.3 標準雙極型工藝橫嚮PNP管
7.3.4 BiC MOS工藝晶體管
7.4 雙極型晶體管版圖匹配規則
7.4.1 雙極型晶體管版圖基本設計規則
7.4.2 縱嚮晶體管設計規則
7.4.3 橫嚮晶體管設計規則
本章小結
第8章 MOS場效應晶體管
8.1 概述
8.2 MOS管的版圖
8.3 MOS晶體管版圖設計技巧
8.3.1 源漏共用
8.3.2 特殊尺寸MOS管
8.3.3 襯底連接與阱連接
8.3.4 天綫效應
8.4 棍棒圖
8.5 MOS管的匹配規則
本章小結
第9章 集成電路版圖設計實例
9.1 常用版圖設計技巧
9.2 數字版圖設計實例
9.2.1 反相器
9.2.2 與非門和或非門
9.2.3 傳輸門
9.2.4 三態反相器
9.2.5 多路選擇器
9.2.6 D觸發器
9.2.7 二分頻器
9.2.8 一位全加器
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參考文獻
精彩書摘
3.4.6 版圖驗證
版圖驗證指的是利用專門的軟件工具,對版圖進行幾個項目的驗證,主要包括版圖設計是否符閤設計規則、版圖和電路圖是否一緻、版圖中是否存在多餘器件以及版圖是否存在斷路、短路或懸空節點等。版圖驗證是版圖設計中必不可少的一個環節,隻有經過版圖驗證檢查的版圖纔可以被送到芯片廠商去加工製作。
集成電路版圖驗證主要包括5項內容。
(1)設計規則檢查(Design Rule Check,DRC)。設計規則是集成電路版圖版圖各種幾何圖形尺寸的規範,DRC就是按照某個工藝的設計規則檢查版圖中的圖形是否滿足最小寬度、最小間距、最小包圍和最小延伸等要求。DRC可以確保設計的版圖沒有違反設計規則,能夠被集成電路工藝所製作。DRC非常重要,已經成為版圖驗證必做的項目。
(2)電學規則檢查(Electric Rule Check,ERC)。ERC主要檢查版圖是否存在短路、斷路和懸空節點等錯誤,以及錯誤的注入類型、錯誤的襯底偏置和錯誤的電源(地)等。ERC一般在進行DRC時同時完成,並不需要單獨運行。
(3)電路圖一版圖一緻性檢查(Layout Versus Schematic,LVS)。LVS是把設計的電路圖和版圖進行對比,要求二者達到一緻(匹配)。LVS通常在DRC檢查無誤後進行,它是版圖驗證另一個必做的項目。
(4)版圖寄生參數提取(Layout Parasitic Extraction,LPE)。LPE是根據版圖的具體尺寸來計算和提取節點的寄生電容等參數。雖然LPE不是版圖驗證必做的項目,但是在某些集成電路設計中,為瞭更精確地分析版圖的性能,可以進行LPE,並在此基礎上對設計的電路重新進行仿真。
(5)寄生電阻提取(Parasitic Resistance Extraction,PRE)。PRE專門提取版圖中的寄生電阻,是LPE的補充。PRE和LPE相互配閤,能在版圖上提取完整的寄生參數,從而更加精確地反映版圖的性能。
用Virtuoso Layout Editor編輯生成的版圖是否符閤設計規則和電學規則,其功能是否正確,必須通過版圖驗證係統來驗證。Cadence提供的版圖驗證係統有Dracula和Diva。兩者的主要區彆為Diva是在綫驗證工具,嵌入在Cadence的主體框架之中,可直接點擊版圖編輯大師上的菜單來啓動,使用較方便,但功能較Dracula稍有遜色;Dracula為獨立的版圖驗證係統,可以進行DRC、ERC、LVS、LPE和PRE,其運算速度快,功能強大,能驗證和提取較大的電路,已經成為事實上的標準,本書中的版圖驗證(DRC和LVS)都是利用Dracula工具完成的。
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前言/序言
《集成電路版圖設計》:開啓微觀世界的無限可能 這是一本為21世紀電氣信息類創新型應用人纔量身打造的權威教材,旨在深入剖析集成電路版圖設計的核心原理、關鍵技術與實際應用。本書緊密結閤當前集成電路産業的發展趨勢和人纔培養需求,以其前瞻性和實踐性,引領讀者全麵掌握這一決定芯片性能與成本的關鍵環節。 第一章:集成電路版圖設計概述——勾勒微縮世界的藍圖 本章將為您揭開集成電路版圖設計的神秘麵紗。我們將從集成電路(IC)的基本概念入手,闡述其在現代科技中的核心地位,從手機芯片到人工智能處理器,無不依賴於精巧的IC設計。隨後,重點介紹版圖設計在整個IC設計流程中的獨特作用。設計流程並非一蹴而就,它如同建造一座宏偉建築,需要層層遞進、環環相扣。從功能設計、邏輯設計、電路設計,到最後的版圖設計,每一個環節都至關重要。版圖設計,作為將抽象電路圖轉化為可製造物理實體的最後一步,其質量直接決定瞭芯片的最終錶現。 本章還將深入探討版圖設計的演進曆程。從早期的手工布綫,到如今高度自動化的EDA(Electronic Design Automation)工具,版圖設計的技術經曆瞭翻天覆地的變化。這種演進不僅是技術上的飛躍,更是對人類智慧和創造力不斷挑戰極限的體現。我們將追溯這一曆程,理解技術革新如何推動IC産業嚮前發展,並為後續章節的學習奠定堅實的理論基礎。 第二章:CMOS器件與工藝基礎——構築微電子世界的基石 要深入理解版圖設計,必須首先掌握其底層支撐——CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)器件及其製造工藝。本章將對CMOS器件進行細緻的講解,重點剖析MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的工作原理。從PN結的形成到溝道電場的控製,我們將層層剝離,揭示晶體管如何實現開關和放大的功能,這是構建一切數字和模擬電路的基礎。 接下來,我們將詳細介紹CMOS製造工藝的流程。這一過程充滿瞭精密的化學和物理操作,例如光刻(Photolithography)、刻蝕(Etching)、薄膜沉積(Thin Film Deposition)以及離子注入(Ion Implantation)等。我們將逐一解析每一步工藝的目的、原理和關鍵參數,讓您理解晶體管和互連綫是如何在矽片上一步步“生長”齣來的。熟悉這些工藝細節,對於理解版圖設計規則(Design Rule)至關重要,因為版圖設計必須遵循這些規則,纔能確保芯片在實際生産中能夠成功製造。 第三章:CMOS版圖設計規則(DRC)——遵循物理定律的精密指令 版圖設計最核心的約束之一便是設計規則(Design Rule)。本章將為您係統闡述CMOS版圖設計規則,這是確保芯片可製造性的根本保障。我們將從基本的綫寬、間距規則講起,解釋為何這些參數如此重要,它們如何影響器件的性能、功耗以及良率。例如,過小的綫寬可能導緻短路,過大的間距則可能增加寄生效應。 本章還將深入探討更復雜的規則,包括金屬層之間的接觸孔(Contact/Via)尺寸和間距、多晶矽柵極與擴散區之間的重疊規則、以及各類工藝相關的限製。我們將通過大量的圖示和實例,幫助您直觀理解這些規則的物理含義和潛在風險。理解並嚴格遵守DRC,是每一個閤格版圖工程師的必備技能,它直接關係到芯片能否順利流片並達到預期的性能指標。 第四章:CMOS基本單元版圖設計——構建數字電路的磚瓦 掌握瞭CMOS器件和設計規則之後,本章將引導您動手實踐,學習CMOS基本邏輯門電路的版圖設計。我們將以最簡單的非門(Inverter)為例,詳細講解其NMOS和PMOS器件的版圖布局,以及如何通過金屬層進行連接。您將看到抽象的電路圖如何轉化為具體的物理圖形。 隨後,我們將擴展到更復雜的邏輯門,如與門(AND)、或門(OR)、與非門(NAND)和或非門(NOR)的版圖設計。您將學習如何通過組閤和排列基本器件,構建齣滿足邏輯功能的版圖。此外,本章還會介紹存儲單元,如靜態隨機存取存儲器(SRAM)的6T單元,這類單元的版圖設計需要更高的密度和可靠性,是實際應用中的重要組成部分。通過本章的學習,讀者將能夠初步掌握將邏輯功能轉化為物理版圖的能力,為設計更復雜的電路打下堅實基礎。 第五章:CMOS復閤門與時序邏輯版圖設計——邁嚮復雜電路的設計殿堂 本章將進一步提升讀者的版圖設計能力,進入CMOS復閤門和時序邏輯電路的版圖設計領域。我們將探討如何設計更高效的CMOS復閤門,例如多輸入與非門或或非門,以及如何通過優化布局來減小麵積、降低功耗和提高速度。 隨後,我們將重點關注時序邏輯電路的版圖設計,如觸發器(Flip-Flop)和寄存器(Register)的設計。這些電路不僅需要滿足邏輯功能,還需要精確控製信號的時序,因此其版圖設計往往更為復雜,需要考慮時鍾信號的布綫、關鍵路徑的延遲等因素。本章將通過詳細的案例分析,展示如何針對時序邏輯電路進行閤理的版圖規劃和實現。 第六章:CMOS混閤信號電路版圖設計——融閤模擬與數字的挑戰 現代集成電路往往集成瞭數字、模擬和混閤信號模塊。本章將聚焦於CMOS混閤信號電路的版圖設計。我們將探討模擬模塊(如運放、ADC、DAC)與數字模塊共存於同一芯片上的特殊挑戰,例如數字信號的串擾如何影響模擬信號的精度。 本章將重點講解模擬模塊的版圖設計原則,包括對稱性設計、接地和電源的規劃、以及如何處理噪聲和寄生效應。我們將介紹一些典型的模擬電路版圖實例,例如運算放大器、電流鏡等,並分析其設計中的關鍵考慮因素。同時,本章還將討論如何優化混閤信號電路的整體布局,以實現良好的性能和隔離。 第七章:版圖物理驗證(DRC & LVS)——確保版圖與設計的“雙生子” 即使完成瞭版圖設計,工作也並未結束。本章將深入講解版圖物理驗證的兩個關鍵環節:設計規則檢查(DRC)和版圖與原理圖提取後檢查(LVS)。 DRC 是指利用EDA工具對設計的版圖進行自動化檢查,確保其符閤所有工藝設計規則。我們將介紹常用的DRC檢查項,以及如何解讀DRC報告並進行相應的修改。LVS 則是將設計的版圖反嚮提取齣其電路網絡,並將其與原始的電路原理圖進行比對,確保版圖準確無誤地實現瞭設計意圖。本章將詳細講解LVS檢查的原理、流程以及常見的LVS錯誤類型,並指導讀者如何有效地解決這些問題。成功的DRC和LVS驗證是芯片流片前不可或缺的步驟,它直接關係到芯片能否在生産綫上實現。 第八章:功耗、時序與可靠性分析——追求卓越性能的極緻 高性能集成電路的設計不僅僅是功能的實現,更關乎功耗、時序和可靠性。本章將深入探討這些至關重要的性能指標。 我們將首先講解CMOS電路的功耗分析,包括靜態功耗和動態功耗的來源,以及各種降低功耗的設計技巧,例如時鍾門控、電源門控和低功耗單元的選擇。 接著,我們將聚焦於時序分析。我們將介紹建立時間(Setup Time)、保持時間(Hold Time)以及時鍾周期(Clock Period)等關鍵概念,並講解如何通過版圖布局和布綫來優化關鍵路徑的時序,確保電路在最高工作頻率下穩定運行。 最後,我們將討論芯片的可靠性問題。這包括對各種應力(如熱應力、電遷移、以及ESD靜電放電)的分析,以及如何在版圖設計中采取相應的防護措施,以提高芯片的長期穩定性和使用壽命。 第九章:先進CMOS工藝與版圖設計新挑戰——擁抱未來集成電路的變革 集成電路技術日新月異,新的工藝節點不斷湧現,為版圖設計帶來瞭新的挑戰與機遇。本章將介紹當前和未來先進CMOS工藝的特點,例如 FinFET(鰭式場效應晶體管)和 GAA(Gate-All-Around)晶體管的結構與工作原理,以及它們對版圖設計帶來的影響。 我們將探討在更小的工藝節點下,版圖設計麵臨的新的設計規則、寄生效應的加劇,以及對互連綫電阻和電容的精細控製要求。同時,本章還將介紹先進封裝技術(如3D IC)以及它們對版圖設計提齣的新思路和新方法。通過本章的學習,讀者將能夠對集成電路技術的未來發展趨勢有更深刻的認識,並為應對未來的設計挑戰做好準備。 第十章:EDA工具在版圖設計中的應用——高效實現復雜設計的利器 電子設計自動化(EDA)工具是現代集成電路版圖設計的核心。本章將介紹主流的EDA工具在版圖設計流程中的應用。我們將以Cadence Virtuoso、Synopsys Custom Compiler等業界常用的版圖設計軟件為例,介紹其基本操作界麵、常用功能模塊,以及如何利用它們進行版圖的繪製、編輯、規則檢查和仿真。 本章還將探討EDA工具在版圖布局、布綫、以及物理驗證中的自動化能力。我們將介紹如何利用腳本和宏命令來提高設計效率,以及如何利用這些工具進行跨工藝節點的版圖遷移和優化。熟悉並熟練掌握EDA工具的使用,是成為一名閤格的集成電路版圖工程師的必備條件。 第十一章:集成電路版圖設計實訓項目——理論聯係實際的綜閤演練 紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行。本章是本書的實踐篇,將通過一係列精心設計的實訓項目,幫助讀者將所學知識融會貫通,並應用於實際的版圖設計任務中。 我們將提供不同復雜度的項目,例如設計一個簡單的ADC模塊,或者一個包含數字控製的模擬電路。實訓項目將涵蓋從原理圖輸入、版圖繪製、到物理驗證的全過程。讀者將有機會獨立完成一個完整的版圖設計流程,並從中發現問題、解決問題,從而極大地提升自己的動手能力和工程實踐經驗。 第十二章:集成電路産業與職業發展——點亮未來工程師的職業道路 集成電路産業是國傢戰略性新興産業,也是技術密集型和人纔密集型産業。本章將為您介紹當前全球集成電路産業的發展格局,包括主要國傢和地區在EDA、IP核、晶圓製造、以及芯片設計等領域的競爭與閤作。 我們將重點探討集成電路版圖設計工程師在産業中的職業定位、發展路徑以及所需的關鍵素質。本書將為您提供關於如何進入集成電路行業、如何進行職業規劃、以及如何在競爭激烈的市場中脫穎而齣的寶貴建議。我們將強調創新思維、團隊閤作和持續學習的重要性,幫助您在集成電路領域開啓成功的職業生涯。 《集成電路版圖設計》不僅是一本教材,更是一扇通往微觀世界的大門,一座通往未來科技的橋梁。它將引導您在挑戰與機遇並存的集成電路設計領域,掌握核心技能,激發創新潛能,為實現“中國芯”的騰飛貢獻您的智慧與力量。