1、芯片提取基礎知識,Verison：1.0,北京芯愿景軟件技術有限公司,BEIJING CELLIX SOFTWARE CO., LTD.,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,2,概述,第一章：芯片基礎知識 第二章：基本模擬單元 第三章：基本數(shù)字單元,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,3,第一章,芯片基礎知識,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,4,各種封裝形式的芯片,市面上所見的芯片都是封裝后的芯片，下面為一些常見的封裝形式的芯片：,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,5,裸片,芯片去掉封裝后，里面是非常小的一塊硅片，芯片的功能就是通過這塊硅片

2、來實現(xiàn)，我們稱這塊硅片為裸片。 通常，我們說芯片，實際上就是指裸片。 下面為一顆MP3芯片去封裝的過程：,一顆完整的芯片 周圍的白點為芯片管腳,開蓋,看到電路了 周圍的金屬絲是用來連接裸片和芯片的引腳,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,6,X光照片,為了看到封裝上的引腳和裸片的連接關系，除了進行開蓋，還可以使用X射線進行拍照，下面是幾張X-ray照片。,連里面的電路都依稀可見,大黑點是封裝上的引腳 小黑點是芯片上的引腳,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,7,芯片結構（1）,芯片內部的METAL1層照片,PAD（壓焊點）,內部電路,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002

3、-2010,8,芯片結構（2）,從圖中可以看出，PAD分布在芯片的外圍，中間是電路，內部電路是分模塊的。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,9,芯片的照片,可見光的照片是彩色的，SEM的照片是黑白的。 注意下圖的兩張照片，拍攝的是同一個區(qū)域：,VS.,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,10,芯片的層,芯片實際上是立體結構，分為多層，每一層都和上下層相連。 不同的芯片，層數(shù)不一樣。,POLY,M3,M2,M1,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,11,第二章,基本模擬器件,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,12,數(shù)字和模擬元件,芯片上的元件類

4、型很多，我們通常將其分成兩大類，數(shù)字單元和模擬器件。 數(shù)字單元比較密集，規(guī)整 模擬單元比較稀疏，形狀各異,數(shù)字單元,模擬器件,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,13,模擬器件符號圖,常見的模擬器件 RES CAP PMOS NMOS DIODE BJT,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,14,常見模擬器件,1 電阻 1.1POLY電阻 1.2注入電阻 1.3阱電阻 1.4FUSE 2 電容 2.1MOSCAP 2.2POLYCAP 2.3FCAP 2.4METALCAP,3 MOS管 3.1三端MOS管 3.2四端MOS管 4 二極管 5 三極管 VPNP三極管,北

5、京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,15,1.1 POLY電阻,利用多晶制作電阻： 是一條細長的多晶條，很好分辨； 兩個端口PLUS，MINUS順序可以顛倒； 兩個端口之間的距離為長度，多晶條寬度為寬度； 在雙多晶工藝中，由于POLY2電阻率遠高于POLY1，一般使用POLY2制作電阻，所以提圖時一般只標注RPOLY即可。 在單多晶工藝中，POLY電阻和管子柵的制作也是不一樣的，經常會有顏色的區(qū)分。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,16,POLY電阻識別（1）,各個特點的圖例見下頁。 在染色前會將多晶去掉，所以，RPOLY在染色層是沒有痕跡的。 在有些芯片中，POLY

6、電阻的顏色和管子柵端的顏色不一樣。 多晶電阻的電阻值比較精確，可以用來計算電流電壓值，所以，陣列型的電阻通常是多晶電阻。 觀察電阻兩頭的孔，可以用來識別RPOLY。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,17,POLY電阻識別（2）,多晶層,染色層,染色無痕,柵多晶,多晶電阻,多晶電阻陣列,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,18,*電鏡下的RPOLY,中間的電阻是沒有痕跡的，這是給阱電位的注入,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,19,1.2 注入電阻,對襯底或者阱進行一細長條形的高摻雜注入,P襯底,N阱,RPPLUS,RNPLUS,北京芯愿景軟件技術有限公

7、司 2002-2010,20,注入電阻識別,和多晶電阻不同，注入電阻在多晶層和染色層都會留有痕跡。,多晶層,染色層,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,21,注入電阻原理,注入電阻實際上利用了PN結的反偏。注入電阻和其周圍的材料的接觸面實際上是一個PN結，只要該PN結反偏，電阻就能正常工作。,所以，N阱里面的注入電阻為RPPLUS，P襯底上的注入電阻為RNPLUS。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,22,1.3 阱電阻,RNWELL，在P襯底上用一條細長的N阱作電阻,P襯底,RNWELL,N阱,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,23,阱電阻識別,和多晶

8、電阻相反，阱電阻在多晶層看不到，但在染色層有痕跡。 阱電阻有時會顯得有點肥胖，這是因為生產的時候，阱電阻向兩邊擴散造成的。 P阱工藝是RPWELL，N阱工藝是RNWELL,多晶層,染色層,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,24,電阻尺寸量取（1）,電阻的尺寸參數(shù)包括w和l，w為電阻體的寬度，l為接觸孔之間的距離：,緊貼接觸孔內側,緊貼拐角內側,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,25,*電阻尺寸量取（2）,多晶電阻實際上和柵極多晶硅材料不同，電阻的長度量法也不同。 左圖的電阻上，可以看到明顯的分界 右圖為Layout，藍色所示為阻擋層，正是該層導致了多晶材料的不同,緊

9、貼分界處,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,26,1.4 FUSE,嚴格來說，F(xiàn)USE（熔絲）也是一種電阻，該電阻有兩種值，0或無窮。 在芯片生產的時候，所有的熔絲都是接通的，生產完后，芯片在調試的時候，對熔絲進行編程，燒斷一些，從而改變芯片的內部電路。,符號圖：,PLUS,MINUS,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,27,POLYFUSE,使用多晶作為熔絲，兩頭粗，中間狹窄，呈沙漏狀，如果需要熔斷，在熔絲上加一個很高的電流，中間部分由于過熱而氣化，從而斷開。如果不熔斷，熔絲相當于一段導線。,熔斷,熔斷,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,28,MET

10、ALFUSE,使用金屬作為熔絲，在芯片測試器件，如果需要熔斷，使用激光將其切斷。 這種熔絲通常不明顯，因為其本身就是金屬線，通?？梢酝ㄟ^燒焦的痕跡來找到。,熔絲,熔斷,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,29,*熔絲窗口,因為熔絲熔斷時，會氣化產生大量氣體，所以熔絲上必須開口，讓氣體逸出，POLYFUSE和METALFUSE都需要開窗。 窗口通常是不可見的，因為在拍上層金屬時，鈍化層就被去掉了，窗口自然就消失了。,METALFUSE窗口,POLYFUSE窗口,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,30,2 電容,符號圖：,PLUS,MINUS,常見電容種類： MOSCAP

11、 POLYCAP DPMOSCAP FCAP METALCAP,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,31,電容的形成機制,構成一個電容的條件： 兩塊電極板，中間填充絕緣介質 在CMOS工藝中，一切可以導電的材料都可以作為電極，SiO2作介質 決定電容大小的一個重要參數(shù)為兩塊極板的重疊面積； 需要測量的參數(shù)為重疊面積的長和寬。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,32,2.1 POLYCAP,POLYCAP： 使用POLY1和POLY2作為兩極，PLUS和MINUS可以互反； 雖然PLUS和MINUS可以互反，但提取時應該保證全芯片的一致性。 示意圖：,POLY1,POL

12、Y2,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,33,電鏡下的POLYCAP,光從多晶無法識別，但是可以根據染色來分辨，染色層沒有任何痕跡。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,34,2.2 MOSCAP,由于工藝原因，用MOS管做電容非常常見； 把MOS管的源，漏，襯底連在一起構成一極，柵作為一極，可構成一個MOSCAP。,示意圖：,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,35,MOSCAP的識別,有一種MOSCAP就是一個管子，非常好辨認，提取時可以框成管子，也可以框成電容，但框成電容時要注意極性不能顛倒。 N管MOSCAP，PLUS在柵，MINUS在源漏。 P管

13、MOSCAP，MINUS在柵，PLUS在源漏。 還有一種MOSCAP，不是一個管子，它的所有的DIFF是連在一起的，這種MOSCAP實質上是管子的變形。,多晶層,染色層,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,36,增大MOSCAP的電容,MOSCAP是所有電容中單位容值最大的一種，但是精度很差，很多芯片中，使用MOSCAP后還希望能增加MOSCAP的電容，這時可以考慮采用電容折疊技術。 雙多晶工藝正好可以做出這種電容,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,37,雙層POLY的MOSCAP,在雙多晶芯片中，可以使用MOSCAP和POLYCAP的結合來增大單位面積的電容值，通常

14、稱為DPMOSCAP。 最下極板（DIFF）和最上極板（POLY2）是通過金屬（M1）連在一起的 通過染色的痕跡可以找出DIFF，從極板的重疊方式可以區(qū)分兩層POLY,POLY2,POLY1,DIFF,多晶層,染色層,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,38,電鏡下的DPMOSCAP,主要通過金屬的連接來判斷MOSCAP的兩極：,多晶層,M1層,連在一起,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,39,*MOSCAP（1）,由上圖可見，MOSCAP實際上是POLY作為一極，溝道，DIFF，襯底作為另一極，類似，NMOS也可以同樣構成電容。,P+,P+,N+,G,D,S,B,北

15、京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,40,*MOSCAP（2）,由上頁可知，要能形成溝道，MOS管必須一直導通； MOSCAP可以制作很大的電容，但線性度很差，電容隨|VGS|的變大而大。 MOS管溝道是有電阻的，所以為了減小大MOSCAP的溝道電阻，將一個大的MOS管用很多小的并聯(lián)管代替：,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,41,金屬電容,隨著工藝間距越來越小，金屬間的間距也越來越小，原來不被看好的金屬電容漸漸的被重視起來，很多芯片都使用了金屬電容。 金屬電容分為兩種。 垂直板金屬電容，常稱為FCAP（插指電容） 水平板金屬電容，常稱為METALCAP,FCAP,ME

16、TALCAP,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,42,2.3 FCAP,下圖為兩根金屬走線，可以看到金屬的高度實際比寬度要大，如果兩根金屬離得足夠近的話，這個電容的容值是相當可觀的。,所以，只有在0.35極其以下的工藝中，才能看到這種電容，0.18的芯片中，這種電容是比較常見的。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,43,FCAP的極板間距,下圖示出了隨著工藝的發(fā)展，金屬間距的變化：,0.5u,0.35u,0.18u,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,44,2.4 METALCAP結構,METALCAP是利用上層金屬，比如M3的上面再增加一層材料，插入一

17、塊板，形成電容，這層材料既不是M3，也不是M4。 這層材料和M4打孔連在一起，所以電容的兩極分別由M3，M4引出：,上極板,下極板,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,45,METALCAP照片,注意圖中白點即為孔：,M3,插入的電容板,M3照片,M4照片,兩極,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,46,電鏡下的METALCAP,從下圖可以看出，M4只是連接該電容的導線，并不是電容的一部分。 圖中白點即為孔：,插入的電容板,M3照片,M4照片,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,47,METALCAP的特點,METALCAP有兩大好處： 下方還可以做器件，充

18、分利用芯片面積 離地比較遠，寄生電容小，精度高 因為METALCAP并不是放在底座上，所以在框模擬器件時，如果有METALCAP ，一定要在上層多次檢查，防止遺漏。 METALCAP插入材料的電阻值較大，上面的接觸孔很多，但是比較稀疏，很均勻。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,48,3 MOS管,PMOS管結構圖,發(fā)亮的為NWELL,NMOS管,PMOS管,下圖為反向器的芯片圖像，左邊為POLY層圖像，右邊為染色層圖像,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,49,3.1 三端MOS管,PMOS符號圖：,在模擬的世界里，MOS管不能等效為一個開關看待，它的版圖，作用較數(shù)

19、字應用里都有很大的不同； 提取三端MOS管時，需要明確指出它的S，D，G端口和襯底電位，尤其是源端和漏端不能點反，這點和數(shù)字單元里面的MOS管不同； MOS管的參數(shù)為w，l，m（倍數(shù)）。,NMOS符號圖：,G,S,D,G,D,S,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,50,三端MOS管的襯底電位,在模擬應用里面，MOS管的襯底電位至關重要； 常用的幾種賦值方式： bnS bnVDD?。▽τ赑管） bnGND?。▽τ贜管） 實際項目中以具體的信號來對bn賦值，如果襯底屬性不能用某個信號表示，則需要提成四端MOS管。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,51,襯底電位的判斷,

20、在普通的模擬電路中，P管的襯底電位主要就是兩種，VDD或者S，只有在高壓電路中，比如EEPROM周邊電路中，才會大量出現(xiàn)襯底為其他電位的情況。 只有一個襯底信號，那么所有N管襯底相同，如果襯底有多個信號，取最近的信號作為管子襯底。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,52,3.2 四端MOS管,PMOS4符號圖：,四端MOS管比三端MOS管多一個端口，B端口，由襯底引出； bn屬性不用配置，其余屬性和三端MOS管相同。,NMOS4符號圖：,G,S,D,B,G,S,D,B,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,53,四端MOS管框取,提N/PMOS4時，由于Analyzer

21、沒有提供直接框取MOS4的功能，所以先框成三端MOS管，然后手動點一個B端口，同時去掉bn屬性，將類型名稱改為N/PMOS4。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,54,MOS管框取步驟,單管是模擬項目中出現(xiàn)次數(shù)最多的器件，而且框取步驟較多，容易錯，下面提供一種參考流程。 首先要繪制電源地線，配置模擬器件，注意不要多配置。 第一步，識別P還是N管，同時識別襯底電位 第二步，點擊模板框取，填好bn參數(shù)和m參數(shù) 第三部，識別源漏，然后將三個端口調整到合適位置 第四部，模擬器件全部框完后，統(tǒng)一量參數(shù) 在框同一個管子時，一次性做完前3個步驟。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010

22、,55,判斷MOS管源漏,模擬器件框取最困難，最具技巧性的就是判斷管子的源漏了。對P管來說，源端電位高于漏端電位，對N管來說，源端電位低于漏端電位。根據這個原則，可以歸納出幾條： P管連電源的一端為S，N管連電源的一端為D N管連地的一端為S，P管連地的一端為D P管連襯底的一端通常為S 如果某管子源漏其中一端和柵短接，這頭通常是漏，但做二極管的MOS管例外，不過這種管子通常出現(xiàn)在PAD區(qū)，漏端很寬（請參看P46） P管和N管通常是DD相連，P管和P管是DS相連，N管和N管是DS相連,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,56,*MOS管做保護電路,把MOS管的柵和源端連接起來，可以

23、形成一個箝位電路，用作過電壓保護。,如果INPUT電壓小于VDD，管I14的VSG=0，管子不導通，如果INPUT電源大于VDD，I14的SD將會顛倒，圖中標注的D端將變成S端，VSG 0，管子導通，工作機制和I20相同。 對于I13，情形類似，請自己分析。,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,57,4 CMOS工藝中的二極管,二極管符號圖：,P襯底,MINUS,PLUS,N+,N+,P+,N阱,P+,PLUS,MINUS,diff,diff,plus,minus,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,58,二極管的識別,二極管的端口PLUS代表P區(qū)域，MINUS代表N區(qū)

24、域，所以，端口不能顛倒。 二極管可以從染色顏色上來區(qū)分，通常深顏色為P。也可以從結構來區(qū)分，二極管通常是用來做保護電路，都是反偏的，通過這點可以識別端口。,minus,plus,plus,minus,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,59,5 CMOS工藝中的三極管,三極管符號圖：,NPN型：,PNP型：,B,C,E,B,E,C,對比NMOS管和PMOS：,G,D,S,G,S,D,可以認為，MOS管的G，S，D端對應三極管的B，E，C端,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,60,CMOS工藝中的三極管,NPN型：,PNP型：,B,C,E,B,E,C,三極管為兩個PN結

25、，E和B，C和B,N區(qū)域,N區(qū)域,P區(qū)域,N區(qū)域,P區(qū)域,P區(qū)域,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,61,5.1 VPNP三極管,VPNP（縱向）型三極管的典型結構，可以看到B極環(huán)繞了E極。而C極又環(huán)繞了E和B。,P襯底,N阱,N阱內P注入,E,B,C,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,62,VPNP三極管,P襯底,N阱,P+,E,P+,C,N+,B,N+,VPNP（縱向）型三極管的縱剖圖：,P+,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,63,CMOS工藝中的三極管,很明顯的三個極，形成圓環(huán)套圓環(huán)結構。 從里到外依次為E，B，C,B,E,C,北京芯愿景軟件技

26、術有限公司 2002-2010,64,區(qū)分三極管和二極管,二極管和三極管是比較讓人困惑的兩類器件，因為兩類器件區(qū)分度并不大，有些器件，既能框成二極管，又能框成三極管。實際提取時，只能根據器件的作用來區(qū)分。 二極管通常用來做ESD保護電路 三極管通常用來做內部基準和啟動電路 有了上面的認識后，可以總結出這樣的規(guī)律： 三圓兩扁，三極管最里面的一極是正方形，二極管則是扁的 三極管的環(huán)是正方形，二極管則是跑道型 三極管用在芯片內部電路，二極管用在芯片PAD電路 三極管通常排成陣列形式，二極管通常排成對偶形式,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,65,第三章,基本數(shù)字單元,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,66,常見數(shù)字器件,1 INV 2 NAND2 3 NOR 4 NOR2 5 TRIGATE 6 MX21 7 DFC,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,67,數(shù)字單元符號圖,常見的數(shù)字單元及符號圖 INV NAND2 NOR2 AND2 ,北京芯愿景軟件技術有限公司 2002-2010,68,反相器的實現(xiàn)（1）,用PMOS和NMOS可以實現(xiàn)所有的數(shù)字邏輯，先考慮最簡單的邏輯非,A端輸入0(GND)，對于P管，此時有VSG=VDD，P管導通；同時N管VGS=0，N管截止，ZN=VDD，輸出1。 A端輸入1(VDD)，對于N管，