沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院 王 健

沈陽航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張大為

沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院 徐洪偉

1.引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是最能體現(xiàn)知識經(jīng)濟(jì)特征的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[1]。以集成電路為主要技術(shù)的微電子產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)的電子化、信息化、自動(dòng)化，并引起了人們社會(huì)生活的巨大變革。集成電路布圖設(shè)計(jì)（以下簡稱版圖設(shè)計(jì)）在集成電路設(shè)計(jì)中占有十分重要的作用。版圖設(shè)計(jì)是指集成電路中至少有一個(gè)是有源元件的兩個(gè)以上元件和部分或者全部互連線路的三維配置，或者為制造集成電路而準(zhǔn)備的上述三維配置[2]。集成電路芯片流片成本高，必須保證較高的成品率，版圖設(shè)計(jì)人員應(yīng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。典型芯片是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)性能優(yōu)越，所以，通過研究已有的典型芯片版圖是提高設(shè)計(jì)能力的有效途徑。

版圖設(shè)計(jì)是在一定的工藝條件基礎(chǔ)上根據(jù)芯片的功能要求而設(shè)計(jì)的。目前，集成電路的主要工藝有三種，分別是雙極工藝、CMOS工藝和BICMOS工藝[3][4]。其中CMOS工藝芯片由于功耗低、集成度高等特點(diǎn)而應(yīng)用最廣泛，所以，研究CMOS工藝芯片版圖具有更重要的意義。

本文對CD4011B芯片進(jìn)行了逆向解析，通過研究掌握了該芯片的設(shè)計(jì)思想和單元器件結(jié)構(gòu)，對于提高CMOS集成電路設(shè)計(jì)水平是十分有益的。

2.芯片分層拍照

本文解析的CD4011B芯片是雙列直插式塑料封裝，共14個(gè)管腳，包含四個(gè)二輸入與非門。根據(jù)芯片編號規(guī)則判斷為CMOS工藝制造。

首先將芯片放到濃硝酸中加熱去掉封裝，用去離子水沖洗、吹干后在顯微鏡下拍照鋁層照片。再將芯片放到鹽酸溶液中漂洗去掉鋁層，用去離子水沖洗、吹干后放到氫氟酸溶液中去掉二氧化硅層，經(jīng)去離子水沖洗、吹干后用染色劑染色，雜質(zhì)濃度高部分顏色變深，沖洗、吹干后在顯微鏡下對去鋁層（有源層）芯片拍照[5]。

采用圖形編輯軟件分別對兩層照片進(jìn)行拼接，獲得版圖照片。

3.單元結(jié)構(gòu)

CD4011B的有鋁層和去鋁層照片表明芯片四個(gè)二輸入與非門結(jié)構(gòu)相同，只要分析一個(gè)與非門即可。該芯片一個(gè)二輸入與非門去鋁版圖照片如圖1所示。其中E和F為輸入端，L為輸出端。

該芯片是P襯底、N外延層和P阱工藝，與非門主要由NMOS和PMOS場效應(yīng)晶體管構(gòu)成，靜電保護(hù)電路由二極管和電阻構(gòu)成。NMOS和PMOS場效應(yīng)晶體管如圖2所示。

圖2 CD4011B芯片場效應(yīng)管版圖

圖2的(a)和(b)分別是NMOS場效應(yīng)管去鋁版圖和剖面圖，該芯片采用鋁柵，厚場氧化層作為絕緣隔離。

圖2的(c)和(d)分別為一種PMOS場效應(yīng)管鋁層和去鋁層，該器件采用叉指結(jié)構(gòu)，目的是既增加?xùn)艠O的寬度，提高輸出電流，又節(jié)省了版圖面積。

圖3(a)和(b)分別是芯片的二極管和電阻去鋁版圖。二極管采用P阱作為正極，二極管作用是輸出和輸入端口防靜電保護(hù)[6]。電阻為基區(qū)電阻，基區(qū)電阻與N外延層構(gòu)成同時(shí)構(gòu)成兩個(gè)二極管。

圖3 CD4011B芯片二極管和電阻版圖

4.電路圖和仿真

根據(jù)CD4011B芯片的鋁層和去鋁層版圖照片提取了一個(gè)二輸入與非門電路如圖4(a)所示。

采用Pspice軟件對電路圖進(jìn)行瞬態(tài)仿真，其中電源電壓為5V，輸入信號高電平為5V，低電平為0V，仿真結(jié)果如圖4(b)、(c)為輸入端信號，(d)為輸出端信號。結(jié)果表明該電路實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能，電路提取正確。

圖4 CD4011芯片與非門電路圖和仿真圖

5.結(jié)論

本文采用化學(xué)方法對CD4011B芯片進(jìn)行了分層拍照，提取了電路圖，仿真驗(yàn)證正確。從芯片的版圖分析，該芯片采用NMOS場效應(yīng)晶體管、PMOS場效應(yīng)晶體管、PN結(jié)二極管和基區(qū)電阻等器件單元，四個(gè)與非門版圖一致且對稱布局。該芯片采用典型的CMOS工藝，為了節(jié)省面積采用叉指場效應(yīng)晶體管，輸入和輸出端采用防靜電保護(hù)結(jié)構(gòu)。電路為典型的CMOS與非門電路。該芯片的版圖布局體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性。

[1]雷瑾亮,張劍,馬曉輝.集成電路產(chǎn)業(yè)形態(tài)的演變和發(fā)展機(jī)遇[J].中國科技論壇,2013,7:34-39.

[2]汪娣娣,丁輝文.淺析我國集成電路布圖設(shè)計(jì)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)——我國集成電路企業(yè)應(yīng)注意的相關(guān)問題[J].半導(dǎo)體技術(shù),2003,28:14-17.

[3]朱正涌,張海洋,等.半導(dǎo)體集成電路[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[4]曾慶貴.集成電路版圖設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]王健,樊立萍.CD4002B芯片解析在版圖教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育,2012,31:50-51.

[6]Hastings,A.模擬電路版圖的藝術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.